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技术专题
电路设计CFD仿真更新散热器设计
散热器的选择会严重影响电气系统的寿命。合适的散热器设计背后需要进行大量的数学计算。随着现代电子技术为我们的生活带来便利，人们对其热量管理进行了认真的考虑，以提高可靠性。
安装散热器可以防止热失控和敏感电路元件的过早故障。散热器通过传导，对流或辐射的方式从设备表面清除热通量。在当今电子设备中大多数散热器中，空气都是冷却剂。通过了解散热器的空气动力学和热特性的概念，可以实现高效而快速的冷却。
计算流体力学（CFD）在使电子设备运行（无论产生的热量如何）方面都发挥着至关重要的作用。散热器CFD仿真是热工程师的虚拟第三只眼睛。设计人员使用CFD模拟感知流体的接近速度及其流动相互作用，并将获得的知识应用于散热器工程中以实现最佳设计。
电气元件制造商为何在数据表中指定最高工作温度范围？更精确地说，与环境的连接和与壳体的连接的热阻将单独包含在热特性标题下。这是为了向用户警告在为这些组件供电时需要进行热管理。精心设计的散热器可有效改善从关键组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，因此散热过程加快了速度。
我总是将散热器一词与带有鳍片的银色金属片联系起来。挤压翅片式散热器是目前市场上最受欢迎的散热器。该无源散热器如何工作？组件基板中产生的热量通过散热片传导至其外壳，并进一步传导至周围环境。浮力将较轻的热空气向上拉，而重力将较浓的冷空气向下拉，从而在散热片内产生自由的气流。该空气运动导致自然对流，因此实现了冷却。如果没有散热器，则器件的结温超过了允许的安全工作极限，并因过热而损坏。
气流分布控制基于被动散热器的冷却系统至关重要。如果您了解空气在运动中的行为，则可以肯定会提出最佳的散热器几何形状。这是我们考虑CFD模拟的时刻。
被动散热器CFD模拟
在CFD中，单相流体流由Navier-Stokes方程定义。当我们处理自然空气对流散热时，无源散热器也是如此。在无源散热器中，气流分布取决于散热器的位置，形状，大小和表面光洁度。散热器周围的自由区域以及散热片之间的流通区域也会影响自由气流。如果放置不当，散热片的方向会阻碍空气流动。始终建议保持散热片垂直对齐以增强对流流体的流动，因为这种方向还会降低热阻。
由于存在许多相关因素，因此无法遵循传统的分析方法来获得CFD方程的完整解。在涉及流体动力学的研究领域中，具有CFD功能的仿真软件包的可用性正在发展。散热器CFD仿真使设计人员可以查看气流的变化，以响应被测系统中的几何形状修改和初始条件。
如果您可以考虑电气，热学和结构方面的因素对散热器进行建模，那么您的设计结果将非常出色。使用热管理工程中采用的电热协同仿真进行整体系统分析，是朝着令人印象深刻的设计迈进的一步。
在这些仿真中，使用CFD和有限元分析（FEA）基础知识来进行系统建模。CFD在对流流体模型中的应用和有限元分析（FEA）在热传递模型中的应用建立了一个精确的散热器模型来研究热性能。这些模型可以将热约束，输出参数以及系统中的初始条件和边界条件与仿真结果准确关联。从仿真结果得出的CFD / FEA仿真和设计改编可以使您的散热器几何结构达到最佳状态。
即插即用的散热器材料
随着对紧凑型小工具的需求不断提高，散热器的设计和美学得到了最大的关注。主要目的是选择一种具有低热阻和高导热率的材料。散热器材料的热特性应增强气流特性和传热动量。CFD / FEA仿真为您提供了更改材料属性并可视化对散热效率的影响的功能。
在表1中，很明显，金刚石是散热片材料的首选，但这在实际中并不可行。铝和铜是最常用的散热器材料。如今，铝翅片和铜基片的组合是很常见的。
散热器CFD / FEA仿真使您可以通过编辑材料属性在单个设计上运行许多迭代。这样，您可以对不同的散热器材料进行行为研究，而无需花费一分钱的生产成本。CFD / FEA仿真软件包中的热应力分析还可以预先确定散热器变形的可能性。
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材料 |
导热系数（W /°K / m） |
|
钻石 |
1000 |
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银 |
410 |
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铜 |
385 |
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铝 |
211 |
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钢 |
47.6 |
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玻璃 |
1.05 |
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静止的空气 |
0.026 |
表1.各种材料的导热系数。
如果您被指派优化电动汽车中功率电子模块（PEM）的散热器，您将如何进行？在这里，材料是固定的，您可以修改几何。通过开发PEM模块的精确3D热模型，可以简化您的优化过程。高度精确的3D模型不会在所获得的散热解决方案中留下任何漏洞。在CFD / FEA耦合模型上进行的模拟可帮助您分析空气动力学，热量提取，整体温度控制以及热点检测。任何物理设计修改，输入电功率变化，边界或初始条件的变化都会立即反映在仿真结果中。CFD / FEA模拟是确保您完全放心地提交热管理任务的最佳实践。