某电子设备的自然散热设计仿真
2001年8月电子产品可靠性与环境试验
E LECTRONIC PRODUCT RE LI ABI LITY AND ENVIRONMENT AL TESTI N G
Au g ust N o 14
第4期
某电子设备的自然散热设计仿真
周敏1, 任炳礼2, 张亿胜2
(11信息产业部电子第五研究所, 广东广州510610) (21信息产业部电子第七研究所, 广东广州510310)
摘要:介绍了运用有限元法来进行电子设备自然散热设计计算机仿真的原理和方法。关键词:有限元; 热分析; 计算机仿真中图分类号:T P39119
文献标识码:
The N atural g n E lectronic S y stem
M in , REN Bin g -li , ZHANG Y i -shen g
(1. CEPREI , G uan g zhou 510610, China ) (2. G CI , G uan g zhou 510310, China )
Abstract :T he theor y and m ethod for a pp l y in g the finite elem ent techni q ue to the com p uter simula 2tion of natural coolin g desi g n in an electronic s y stem are p resented 1K e y w ords :finite elem ent ; therm al anal y sis ; com p uter simulation
2
2
1概述
由于环境适应性的要求, 一些产品的内部不允许安装风扇, 而且外壳必须是密封的。其散热方式通常是将散热器固定在机壳外侧, 将集中热源安装在其底部的机壳内侧, 以便借助散热器肋片来增大散热面积, 热设计的基本内容就是对散热齿的结构进行优化设计, 并且, 如采用计算机仿真软件来进行辅助分析将收到事半功倍的效果。
目前, 在我国电子设备的热设计领域中, 随着计算流体动力学(CFD ) 方法的不断完善和计算机速度的不断提高, 计算
收稿日期:2001-05-18
机仿真正在替代传统的经验设计而起着越来越大的作用。但在具体操作时, 当需要计算大温度梯度及大面积的固流耦合传热面、临壁域附面层及开放空间(无穷远) 时, 必须注意选择合适的计算模型(包括软件) 及控制计算量, 才能最终解决实际问题。
本文给出了采用ANSY S/F LOT RAN 热设计仿真分析软件对该类产品进行热设计仿真的原理和方法。
2产品描述及热分析内容
某功放模块在其天线发射信号工作时
作者简介:周敏(1963-) , 女, 福建省福州市人, 信息产业部电子第五研究所工程师, 从事电子产品环境适应性
研究工作。
28电子产品可靠性与环境试验2001年
的总热耗功率为142W , 发热元器件装在散热器的底部, 位于一封闭腔内。散热器与机壳同为一体, 并用高效散热的铝制成。热设计要求为散热器表面温度最高不超过100℃。
热分析的内容是对原结构进行参数化热流仿真建模并求解, 得出散热齿的最高及最低温度值; 改变散热器的尺寸参数, 考察其温度分布的变化。
无论是有限元法还是差分法, 网格的形状和尺寸对计算结果的精度和速度影响很大。一般来说小尺寸、结构化的网格会得到很高的求解精度, 其迭代运算的量也大, 而当网格小到一定程度, 精度便不再提高, 所以, 进行网格划分之前, 要对网格进行合理的分配, 才能有效地解决实际问题。流体区应采用较精细的结构网格。各种工程化物理场分析软件都有对奇异网格的警告功能, 但其基于各种网格的算法, 因此, 3有限元原理及关键技术
有限元法用于建立物理场控制方程的离散化方程, , , 似函数——, 这样, 每一个网格单元上的任何点的未知值都可由节点值和插值函数来确定。网格单元上的分析解把该网格单元的参变量与邻近网格单元上的参变量通过公共的节点联系起来, 形成联立代数方程组, 再利用求解域边界上的边界条件, 用迭代法求解出各参变量。
与有限差分方法相比, 有限元分析方法有其特有的优点:特别适合于处理有复杂几何形状的问题。因为有限差分方法对网格划分要求比较高, 对于非常复杂的三维流动区域, 正交网格的生成非常困难, 有时甚至是不可能的。而对于有限元分析方法, 网格单元划分无特别要求, 对于较为简单的流动区域, 有限元单元网格可选用结构网格, 形成六面体(三维) 或四边形(二维) 单元; 对于较为复杂的流动区域, 有限元单元网格可选用非结构网格, 形成四面体(三维) 或三角形(二维) 单元。另外, 复杂的流场也可采用分区划分网格单元的办法, 在不同的区域形成不同形状的单元, 整个流场形成混合单元。
4. 1方法描述
用ANSY S 的APDL 语言采用自底向上的参数化的建模方法建立整个计算区域的有限元模型, 模型包括封闭腔内外的流场
(空气)
, 发热元器件和铝散热器底板和
散热肋片。
4. 2外空间的选取
由于本文计算的是一个封闭体的自然风冷, 因此计算区域必须取一定距离的外空间作为无穷远。为了减少计算量, 外空间不宜取太大。底面和四周取100mm 而顶面取200mm ,
从计算结果看, 该外空间取得偏小, 尤其顶面应取得更远为佳, 根据计算经验其对计算结果的影响误差在3%左右。
4. 3网格分配
因为流场计算对网格密度有较高的要求, 尤其是在流场近壁面处, 由于存在附面层, 网格必须足够密, 为此, 网格在壁面附近加密而在远离壁面处网格较粗。整个计算区域有单元351817个, 其中271883个为空气单元。网格采用全六面体, 以提高计算精
第4期周敏等:某电子设备的自然散热设计仿真29
度, 减小计算量, 参见图1。稍作调整时的流场和温度场分布云图。从图中可见, 此时元器件的最高温度为90℃, 空气流动速度最大值为0. 421m/s , 该散热器由于减小了散热面积, 散热效率明显低于原设计但比缩短散热肋片高度的效果要好一些。
由于该产品在设计上对重量要求严格, 希望设计出最轻的产品。
从计算结果可
见, 减少散热肋片个数和缩短肋片高度后, 虽然能减轻散热器重量, 但由于减小了散热面积, 使元器件温度明显升高。因此在设计过程中, 。:
1], 张淇济, 张慕瑾等1高等传热
5解算及结果
计算环境温度为25℃。图2为原设计散热肋片时的流场和温度场分布云图。从图中可见, 此时元器件的最高温度为67℃, 空气流动速度最大值为0. 286m/s , 该散热器设计较为合理。
图3是一种把原散热肋片的高度由27
mm 减小到22mm 时的流场和温度场分布
云图。从图中可见, 此时元器件的最高温度为96℃, 空气流动速度最大值为0. 375m/s , , 图429个减小到6mm 增加到8mm 宽度由3mm 增加到4mm , 热源位置也
学[M]1重庆:重庆大学出版社, 19911
[2]美国ANSY S 公司1ANSY S /F LOT RAN 计
算流体动力学分析指南[Z]120001
图1整个计算区域的有限元模型
图2原设计散热肋片时的流场和温度场分布云图
30电子产品可靠性与环境试验2001年
图3原散热肋片的高度由27mm 减小到22mm
时的流场和温度场分布云图
图4原散热肋片的个数由29个减小到21个时的流场和温度场分布云图