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电子元器件的可靠性与温度息息相关，因此，散热问题通常是电子产品设计过程中需要首先考虑的情况。本案例就从一个简单的芯片散热场景入手，为大家详细讲解如何使用Fluent软件对实际的传热问题进行仿真分析。 一、问题概述
图1 算例的三维几何模型（流体区域+固体区域） 二、详细操作步骤 1、将本算例的初始网格文件heatsink.msh拷贝至工作目录。打开Workbench软件，并将当前算例保存至工作目录。从左侧的工具箱中拖拽一个Fluent工作模块，并导入heatsink.msh。 图2 2、打开Fluent软件，勾选双精度选项（Double Precision），建议使用并行计算（至少4核）。 图3 3、更改单位，温度的单位在本算例中建议使用摄氏度C。 图4 4、建立监测点，坐标为(0,0.15,0.05)。 图5 5、开启能量方程，由于本例中的流动为层流，因此不需要对粘性选项做任何修改。 图6 6、修改默认的材料属性，将Air的密度Density改为不可压缩的理想气体（Incompressible-Ideal-Gas）。由于本例中自然对流驱动的压力差值很小，因此压力对密度的影响可以忽略，仅认为密度与温度成正比即可。 图7 7、新增固体区域材料铜（Copper），并拷贝到算例中。随后修改材料属性，并按照下图的数据进行输入 Name = FR-4 ; Density = 1250kg/m＾3; Cp = 1300 J/kg K; conductivity 0.35 W/m K 随后点击Change/Create，在随后弹出的对话框内选择NO，不覆盖铜的材料。 图8 图9 8、采用和7步骤中同样的方法创建另外一个材料 Name = component ; Density = 1900 kg/m＾3; Cp = 795 J/kg K; Thermal Conductivity = 10 W/m K 9、在Setting Up Physics标签中选择操作条件Operating Conditions，并修改重力Gravity和操作密度Operating Density。 图10 10、在Cell Zone设置条件面板中，分别对三个固体区域赋予对应的材料属性board
图11
图12 11、边界条件设定，在Setting Up Physics标签中选择边界条件Boundary Conditions，修改入口inlet的类型为压力入口pressure-inlet，并按照面板输入对应的数据（入口表总压为0Pa，温度为45C）
图13 12、出口的属性设置为表静压0Pa，回流温度45C。其余的边界条件（如壁面wall等）保持默认设置即可。 13.按照图14与图15中所示的内容建立监测报告，首先监测点的温度；其次监测芯片的提平均温度。
图14
图15 14、如图16所示，设置求解方法solution Methods。包括压力速度的偶和方法Coupled，压力的差值格式Body Force Weighted，以及伪瞬态方法Pseudo Transient和高阶松弛选项High Order Term Relaxation
图16 15、如图17所示，在残差监视器中Residuals monitor修改自动判定收敛的准则，将Y方向速度方程的残差改为1e-4，这样可以提高收敛精度。
图17 16、保存案例，随后初始化，并计算仿真，时间步数设置为500。
图18 17、计算收敛之后，进行仿真的后处理。在Postprocessing面板中，通过ISO surface的方法建立与X轴垂直的YZ平面，并将其命名为“x=0”。
图19 18、可以根据用户自己的需求，进行计算结果的显示，包括云图contours和矢量图vector等，这些结果既可以显示在已有的表面上，也可以显示在新建的内部剖面（x=0）上。
图20 19、退回到Workbench界面，复制该Fluent模块，并分别为两个案例模块命名。随后点击新模块中的Solution选项，进行热辐射模型的设置。
图21 20、在Setting Up Physics面板下选择热辐射模型Radiation，之后选择Surface to Surface (S2S)热辐射模型，并点击Compute/Write/Read计算视线因子。这个计算需要几分钟的时间，结束之后在工程文件中会保存一个专门的视线因子文件，以备后续使用。
图22 21、当考虑热辐射模型时，边界条件的设定需要有相应的更新，主要包括壁面的内部发射率Internal Emissivity。由于S2S模型适用的范围不考虑流体的吸收，因此通常不需要对流体材料属性做任何更改。 在本例中，需要对wall_left，wall_right和wall_top中的内部发射率进行修改（数值为0.9），方法如图23所示。其他壁面边界的发射率按照以下数据进行更改：wall_heat_sink-shadow = 0.9，wall_board-shadow = 0.9，wall_heat_source = 0.3。当然，和固体区域相邻的壁面（如wall_board_bottom等）则不需要设定发射率。
图23 22、进口与出口边界的发射率都设置成1，方法和wall边界的设定有一定区别，参见图24。
图24 23、修改好边界条件后，即可进行初始化和仿真求解。 24、求解收敛后，回到Workbench界面，新拖入一个Result模块进行计算结果的对比，方法是将两个求解的结果Solution都拖拉一条线连接到Result模块上，如图25所示。
图25 25.双击result进入到CFD Post界面，首先调整视角，并使用同步工具Synchronize，可以保证多个结果同时显示时，视线与角度完全一致。
图26 26、左侧结构树中点击Case Comparison，并点击下方Apply。可以在多个算例间进行结果的比较。 图27 27、点击location，并选择plane工具，新建x=0时的YZ平面，并命名为Plane 1。随后建立云图Contour，该云图的位置选择Plane 1，变量选择温度Temperature，点击Apply。此时可以显示不同工况下的剖面温度云图对比情况。
图28 28、CFD Post中还可以进行定量数据的对比，如芯片上的最大温度。方法是在计算器Calculator中选择Function Calculator，并在下方的菜单栏中依次选择Maxval，solid_heatsource，All cases，Temperature。则可以得到两个工况最大温度的对比情况以及差值。
图29 以上就是关于芯片散热问题的详细操作步骤。 作者：张杨，仿真秀专栏作者 |
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