Icepak在電信機(jī)柜熱分析中的應(yīng)用
黃冬梅
（北京海基科技發(fā)展有限責(zé)任公司 100086）
[摘要] 本文利用Icepak軟件對某電信機(jī)柜進(jìn)行了熱設(shè)計。首先建立簡化模型對整個系統(tǒng)進(jìn)行了分析，然后又利用Icepak軟件的特殊功能zoom-in對最危險的單板進(jìn)行了細(xì)化，得到了元件的溫度分布。從而證明了Icepak軟件的可靠性和有效性。
關(guān)鍵詞：電子產(chǎn)品 熱設(shè)計 軟件
1. 前言
隨著電子技術(shù)水平的高速發(fā)展，提高電子產(chǎn)品性能和可靠性，減小體積和重量成了電子產(chǎn)品設(shè)計的主要方向。而溫度問題是提高電子產(chǎn)品可靠性最重要的原因之一。一個好的熱分析軟件必將為我們節(jié)省時間和金錢。那么，Icepak軟件正是您所需要的。Icepak軟件是由Fluent公司和ICEM-CFD聯(lián)合開發(fā)的。它的核心技術(shù)是Fluent5.5。它擁有Fluent軟件優(yōu)秀的網(wǎng)格技術(shù)、求解技術(shù)。是電子熱分析軟件市場的一枝奇葩。
通常電子工程師在使用CFD軟件進(jìn)行熱分析時，最困惑的事情便是系統(tǒng)規(guī)模大時，求解時間較長，少則十幾個小時，多則數(shù)日。他們的最大愿望便是提高工作效率。Icepak軟件最新版本3.2.14專門提供給了用戶auto-zoom-in的功能。這一功能能夠幫助用戶很方便地實現(xiàn)模型之間的轉(zhuǎn)換，從系統(tǒng)級到任一區(qū)域的細(xì)化，如某塊PCB板。從PCB板再細(xì)化到封裝。當(dāng)您在做zoom-in的時候，icepak會記錄下您所取邊界的詳細(xì)信息，如壓力、速度和溫度。這樣您可以在系統(tǒng)級簡化建模，提取邊界條件。從而保證部件級計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。不同級別模型的簡化計算會使您獲得較高的工作效率，節(jié)省您的時間。解除了電子工程師使用軟件最大的后顧之憂。
Icepak軟件在電子熱分析方面率先提出如下功能：object-based 建模功能；復(fù)雜幾何模型處理功能；并行處理功能和參數(shù)化建模功能。Zoom-in的功能是Icepak又一個領(lǐng)先優(yōu)勢。您可以利用這一技術(shù)優(yōu)勢來提高您的工作效率。
本文就icepak軟件在某電信機(jī)柜中的應(yīng)用，闡述了該軟件zoom-in功能的方便之處。
2. 某電信機(jī)柜熱設(shè)計仿真
2.1 問題描述
該機(jī)柜底部寬218mm，頂部寬90mm。是一個下寬上窄的形狀，上下各有14塊PCB板。模型布局見圖1。底部為進(jìn)風(fēng)口，中部和頂部為出風(fēng)口。風(fēng)扇架在機(jī)柜的中部，對下部和上部的PCB板同時起作用。下層的PCB板中共有70w、36w、28w和25w四類板子，分別插在不同的位置。PCB1，2，4，9，11，12為70w板子，PCB3，6，7，10為35w的板子，PCB5和PCB8為28w的板子，PCB13和PCB14為25w的板子。根據(jù)用戶經(jīng)驗上層PCB板安全，只關(guān)心下層PCB板的溫度情況。下層PCB板的布局、功耗、材料等信息較為詳細(xì)。因此，我們在以下的分析結(jié)果中只給出對下層PCB板的情況。
欲通過CFD軟件對該機(jī)柜進(jìn)行熱設(shè)計仿真，了解機(jī)柜中發(fā)熱元件的溫度情況。評估設(shè)計方案的和理性。
2.2 控制方程
Icepak軟件在流動和傳熱問題上，求解三個控制方程：
a. 連續(xù)方程（質(zhì)量守恒方程）：
b. 動量守恒方程（速度分布）：
c. 能量守恒方程（溫度分布）：
2.3 湍流模型
Icepak主要提供了三種湍流模型：
a. 零方程湍流模型
b. 雙方程湍流模型
c. RNG湍流模型
零方程湍流模型的粘度系數(shù)定義如下：
由于電子產(chǎn)品的特點是溫升不能太高，一般采用零方程湍流模型也就可以了。當(dāng)溫升超過100C可以考慮另外兩種方程。
2.4 模型建立
對該系統(tǒng)的分析采用兩個級別：系統(tǒng)級和單板級。系統(tǒng)級分析的目的是評估插板位置、風(fēng)扇架及進(jìn)出口位置的合理性。建模時按整板發(fā)熱考慮。單板級分析的目的是評估布板的合理性及元件是否滿足設(shè)計要求。建模利用Icepak的zoom-in功能提取系統(tǒng)級的邊界條件，細(xì)化最危險的單板。在利用zoom-in的時候，需要提取的是所關(guān)心區(qū)域六個面的溫度、速度和壓力。
3．計算結(jié)果
圖2給出了該機(jī)柜下層PCB板系統(tǒng)級分析的溫度分布。
每塊PCB板的總功耗及最高溫度見表1：
表1 下層PCB板總功耗及最高溫度
| Pcb號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 功耗w | 70 | 70 | 35 | 70 | 28 | 35 | 35 |
| Tmax °C | 78 | 69 | 40 | 65 | 38 | 45 | 43 |
| Pcb號 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| 功耗w | 28 | 70 | 35 | 70 | 70 | 25 | 25 |
| Tmax °C | 34 | 65 | 43 | 65 | 67 | 38 | 55 |
由上表可見，70w pcb板中，第1塊板子的溫度最高，因此板級分析時它是重點。35w pcb 板中第6塊板子溫度最高。
下面以第6塊板子為例，采用icepak提供的zoom-in功能，對單板進(jìn)行分析。
我們?nèi)】傮w坐標(biāo)系中，
x=161.5mm~201.5mm分別為pcb6的左右邊界，
y=91mm~442mm分別為pcb6的上下邊界，
z坐標(biāo)分別為系統(tǒng)的前后邊緣。
左右邊界取系統(tǒng)級計算結(jié)果的壓力P,溫度T，三個方向的速度Vx, Vy, Vz,
下邊界取系統(tǒng)級計算結(jié)果的速度和溫度作為板級的速度入口，
上邊界取壓力和溫度，作為板級分析的壓力出口。
PCB6的邊界條件見圖3。
PCB6板級的計算結(jié)果見圖4。
4. 小結(jié)
根據(jù)以上計算及用戶的反饋意見，計算結(jié)果真實可靠。整個系統(tǒng)如果不簡化，則需要300萬以上網(wǎng)格。目前很少有微機(jī)能夠解算。采用了zoom-in 的功能后，系統(tǒng)級只需網(wǎng)格數(shù)為18萬，求解時間為30min。單板分別需要網(wǎng)格數(shù)為32萬，求解時間為60min。求解計算機(jī)為CPU PIII450, 內(nèi)存256M。也就是說普通的微機(jī)即可解決。由此可以得出如下結(jié)論：
該計算結(jié)果的精度滿足設(shè)計要求，結(jié)果可靠。
Icepak軟件提供的zoom-in功能，大大提高了工作效率。
5．參考資料
Icepak User’s Guide
Icepak training notes
Icepak資料下載: FLUENT第一屆中國用戶大會論文集33-40.pdf
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