使用CFD模拟改进散热器设计

关键的外卖

• 被动散热器的性能可以通过根据特定的应用修改其几何形状来提高。

• 散热器CFD模拟为空气动力学提供了深刻的见解，可作为热管理系统设计的工程资源。这使得散热器的过度工程在很大程度上受到限制。

• 使用CFD/FEA耦合模拟，您可以参数化特定热要求的散热器材料和几何形状。

在被动冷却中，挤销式散热器是最受欢迎的。

对于级联式逆变器的测试实验，我构造了两个除了散热器外在所有方面都相同的逆变器MOSFET开关．在进行实验时，由于散热器选择错误，其中一个开关失效。散热器的选择严重影响电气系统的寿命。一个合适的散热器设计背后有大量的数学。随着现代电子技术给我们的生活带来便利，其热管理受到重视，以提高可靠性。

越来越多的散热器可以防止热失控敏感电路元件过早失效。散热器通过传导、对流或辐射的方式去除设备表面的热流。在当今大多数电子产品的散热器中，空气是作为冷却剂的。通过了解散热器的空气动力学和热特性的概念，可以实现高效、快速的冷却。

计算流体动力学(CFD)在保持电子设备运行而不考虑产生的热量方面发挥着至关重要的作用。散热器CFD模拟是热力工程师的第三只眼睛。设计师感知流体接近速度及其使用CFD模拟的流动相互作用并将所学知识应用到散热器工程中，进行最佳设计。在本文中，我们将简要介绍基本的被动散热器操作及其设计。我们还将深入研究CFD模拟的基础知识，这是从热的角度研究散热器的最佳工具。

散热器是必不可少的

为什么电气元件制造商在数据表中指定最高工作温度范围?更准确地说，连接到环境和连接到外壳的热阻将分别包含在热特性标题下。这是为了提醒用户在为这些组件供电时需要进行热管理。设计良好的散热器可以有效地改善从关键部件到周围环境的热传递。散热器增加了热设备的质量和表面积，因此散热过程加快。

我总是把散热器这个词与带鳍的银色金属片联系起来。挤压鳍型散热器是目前市场上最受欢迎的散热器。这个被动散热器是如何工作的?在组件衬底中产生的热量通过散热片传导到其壳体并进一步传导到周围环境。浮力将较轻的热空气向上拉，重力将密度较大的冷空气向下拉，从而在翅片内形成自由流动的空气。这种空气运动导致自然对流，从而实现冷却。如果没有散热器，设备结温会超过允许的安全操作极限，并因过热而损坏。

这是至关重要的气流轮廓控制被动散热器为基础的冷却系统。如果你了解空气运动的行为，你肯定能想出最好的散热器几何形状。这是我们考虑CFD模拟的时刻。

被动散热器CFD模拟

在CFD中，单相流体流动由Navier-Stokes方程定义。当我们处理自然空气对流散热时，这同样适用于被动散热器。在被动式散热器中，气流分布取决于散热器的位置、形状、大小和表面光洁度。散热片周围的自由面积和翅片之间的流动面积也影响着自由气流。如果放置不当，翅片的方向会阻碍空气运动。始终建议保持翅片垂直对齐，以增强对流流体流动，因为这一方向也降低了热阻。

由于有如此多的依赖因素，采用传统的分析方法无法获得CFD方程的完整解。在涉及流体动力学的研究领域，具有cfd功能的模拟包的可用性是一个趋势。散热器CFD模拟允许设计人员查看在测试系统中响应几何修改和初始条件的气流变化。

如果你能考虑到电、热和结构方面的因素对散热器进行建模，那么你的设计结果将是出色的。在热管理工程开云体育刀塔2中使用电-热联合模拟的全系统分析是朝着令人印象深刻的设计迈进的一步。

在这些仿真中，系统建模使用CFD和有限元分析(FEA)基础知识。计算流体动力学(CFD)在对流流体流动建模中的应用有限元分析(FEA)用于传热建模建立了精确的热沉模型来研究热性能。这些模型能够准确地将系统中的热约束、输出参数以及初始条件和边界条件与模拟结果相关联。CFD/FEA模拟和基于模拟结果的设计调整可以指导您的散热器几何结构达到最佳状态。

即插即用散热器材料

散热器的设计和美学受到最大的关注，因为对紧凑尺寸小工具的需求正在上升。主要目标是选择一种具有低热阻的材料高导热性．散热片材料的热性能应增强气流特性和传热动量。CFD/FEA模拟为您提供了改变材料属性的规定，并可视化对散热器效率的影响。

在表1中，很明显金刚石是散热片材料的首选，但这在实际中是不可行的。铝和铜是最常用的散热片材料。如今，铝鳍与铜基的组合很常见。

散热器CFD/FEA模拟允许您通过编辑材料属性在单个设计上运行多次迭代。这样，您就可以对不同的散热片材料进行行为研究，而无需在生产成本上花费一分钱。CFD/FEA模拟包中的热应力分析也可以预先确定热沉变形的可能性。

表1各种材料的导热系数。

对散热器进行CFD/FEA仿真，验证散热器设计。

优化散热器的几何形状

如果您被指派优化电动汽车的电力电子模块(PEM)的散热器，您将如何进行?在这里，材质是固定的，你可以修改几何形状。通过开发精确的PEM模块三维热模型，可以简化优化过程。高精度的三维模型在热解中没有任何漏洞。CFD/FEA耦合模型的模拟可以帮助您分析空气动力学、热提取、整体温度控制以及热点检测。任何物理设计的修改、电输入功率的变化或边界或初始条件的变化都立即反映在模拟结果中。CFD/FEA模拟是确保您完全有信心提交热管理任务的最佳实践。

如果您正在寻找一个真实的散热器，您将希望结合的CFD/FEA模拟功能摄氏度热求解器在Allegro PCB Designer从节奏在你的设计总体计划中。您可以利用摄氏热求解器中的CFD和FEA分析工具重新设计几何形状，直到实现有利的气动条件和散热率。一旦您的散热器几何形状是CFD/FEA模拟批准，那么它将被认为是最好的设计。

如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．