熱仿真軟件的選擇

leonchen 2019-11-27

電子產品散熱領域最常用的軟件有Flotherm，Icepak和6SigamaET三款。其中Flotherm和Icepak的應用尤其廣泛。由于產品研發周期越來越短，電子產品散熱問題越來越復雜，作為熱設計輔助工具，熱仿真軟件的高效率、低成本以及便捷的可視化分析，使其在熱設計中的作用越來越突出。

就一般的應用來講，Flotherm建模方便快速，相對容易上手。為了提高建模和計算效率，Flotherm提供了大量的smartparts快速建模的宏命令，摒棄了繁雜的模型篩選，無論是幾何建模，網格劃分，還是流動、傳熱模型的篩選，自動化程度都很高。而且通過適當的控制，如果模型設置合理，計算精度可以滿足常規電子散熱設計的要求。

相對于Flotherm，對于常規的電子產品散熱設計來講，Icepak的核心優勢是支持非結構化網格，從而可以更加便捷、更高精度地支持曲面結構。Icepak可以直接對導入的CAD模型進行網格離散化這一點往往被誤認為Icepak更簡單，實際情況正好相反。由于支持非結構化網格和接受不加修飾的原生CAD對象，Icepak的前處理，尤其是網格劃分部分，遠比Flotherm復雜。當模型中導入了CAD結構后，其網格處理不當導致計算無法開始或求解無法收斂是極常見的問題。如果異形體的網格質量沒有得到合理控制，其計算精度可能還不如將各曲面簡化為直方直棱的、使用結構化網格就可完美描述的對象進行仿真。而如果簡化為這樣的對象的話，Flotherm也可處理。同為處理結構化對象時，Flotherm的建模效率則會明顯勝出。

圖15-5 Icepak中支持的網格（Flotherm只支持第一種）

另外，Icepak中還集成了更多的湍流和輻射模型，通過分析具體案例，正確選擇合適的模型，確實可以得到精度相對較高的結果，但這無疑需要更多流體力學，傳熱學，甚至CFD計算理論方面的知識。Icepak可以實現精度更高的仿真，但這建立在使用者對數值仿真理解更深刻的前提下。

圖15-6 Flotherm V12.1（左）和Icepak（Ansys Icepak V19.2）

注：圖示并未展示出Icepak中支持的全部湍流模型，打開軟件滑動右側進度條可知，Ansys Icepak V19.2還支持K-Omega SST湍流模型。

Icepak的優勢除了模型豐富，對于液冷產品的仿真也有明顯的優勢。由于流動通道截面往往是圓形或類圓形，Icepak可以通過使用流體塊對象，結合Ansys平臺中的直接建模工具Spaceclaim方便地建出這些異形的液體流道，而Flotherm則只能拼接近似，即使通過FloMCAD導入，一般也會產生很多數量的塊體拼接元。

Icepak另一天然優勢則是Ansys中的Workbench平臺給予的。在做綜合性仿真時，它的計算結果可以直接在電磁（HFSS/Maxwell/Q3D）和結構應力（Static Structural, Steady-State Thermal, Transient Structural, or Transient Thermal）之間進行傳遞。對于普通的電子散熱，這可能應用不多，但對于芯片層面的熱設計分析，這一功能與Flotherm相比，短時間內有不可替代的優勢。

圖15-7 Icepak和Flotherm綜合對比

6SigamaET也可以直接導入CAD文件，為了更好處理曲面，它引入了多級網格和浸入邊界法數值處理。這與FloEFD和Flotherm XT中的網格技術類似。這三個軟件中的宏觀網格均是結構化網格。結構化的網格全部是方形，在曲面邊界處，方形網格必將被曲面所切分，即固體曲面邊界處的部分網格將同時包含固體和流體（圖15-8），這類網格稱為混合網格。多級網格實質上是在固液邊界處根據既定規則自動裂解網格達到局部智能加密的效果，而浸入邊界法則是處理混合網格，這兩者均需要完整的CAD幾何數據用來精準識別固液邊界。浸入邊界法數值處理中，混合網格內的控制方程與常規網格略有不同，為模擬邊界的熱、力效應，方程中將根據理論假設施加力、熱加源項。6SimgaET建模快速高效，網格劃分智能、容錯率高，也非常適宜對電子產品進行熱仿真。