1 熱仿真的作用
電子產(chǎn)品散熱仿真屬于計算流體動力學(xué)（CFD）的一個分支，表示使用計算機軟件構(gòu)建電子產(chǎn)品的數(shù)值模型，通過數(shù)值計算和圖像顯示等方法，評估、分析電子產(chǎn)品的散熱、噪聲等表現(xiàn)。
熱仿真可以視為是一種虛擬實驗。它可以在不做出實際產(chǎn)品的前提下，通過輸入一系列的信息數(shù)據(jù)，來計算在不同運行場景下產(chǎn)品的散熱風(fēng)險。因此，熱仿真能夠提前預(yù)判產(chǎn)品的散熱方案是否合理，從而節(jié)約研發(fā)時間和打樣成本。當(dāng)前，隨著計算機性能的提升以及數(shù)值求解技術(shù)的不斷完善，熱仿真的精度和效率都在日漸提升。熱仿真軟件已成為熱設(shè)計工作中最重要的輔助工具之一。熱仿真能夠?qū)崿F(xiàn)的基本功能如下：
1) 可計算產(chǎn)品在不同環(huán)境下（溫度、濕度、海拔、陽光直射等）的溫度表現(xiàn)；
2) 可顯示產(chǎn)品內(nèi)部及周圍熱流路徑，便于分析散熱控制環(huán)節(jié)；
3) 可顯示以及冷卻介質(zhì)速度分布、流動路徑、壓強分布、風(fēng)扇和泵的工作點等流動相關(guān)的信息，便于分析理解散熱狀態(tài)和優(yōu)化方向；
4) 可以實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)自動優(yōu)化計算，在設(shè)計中的多變量耦合關(guān)系中自動獲取最優(yōu)設(shè)計區(qū)間。
2 熱仿真的基本原理
熱仿真的本質(zhì)是求解一系列根據(jù)流體力學(xué)和傳熱學(xué)的基本物理定律推導(dǎo)出的方程組。在求解時，軟件首先將連續(xù)空間割裂成一個個小塊，每一個小塊就相當(dāng)于一個控制體（這個過程在仿真軟件中就是生成網(wǎng)格的過程）。在一個控制體內(nèi)，凈流入的質(zhì)量將導(dǎo)致物體密度的變化，而凈流入的能量則導(dǎo)致物體溫度的變化，即每個控制體都必須滿足質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。對于流速的變化，則是依據(jù)動量定理得出的，即物體在單位時間內(nèi)某方向上動量的變化與它受到的沖量值相同。這幾個定理，連同流體狀態(tài)方程（流體的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、比熱容等物理性質(zhì)隨溫度、壓強的變化關(guān)系式）和用戶給定的邊界條件，就是軟件進行仿真計算的基本依據(jù)。
l 控制體內(nèi)質(zhì)量的增加率 = 流入質(zhì)量速率 - 流出質(zhì)量速率
由于控制體的體積并不變化（網(wǎng)格劃分完后，就固定不變了），因此質(zhì)量的增加量只能用密度來體現(xiàn)。當(dāng)將工質(zhì)的密度視為不可變時，流入的質(zhì)量就等于流出的質(zhì)量。
圖15-1 質(zhì)量守恒定律示意圖
質(zhì)量守恒定律用數(shù)學(xué)方程表示，則為：
式中左側(cè)第一項即為由密度隨時間變化引起的控制體內(nèi)部質(zhì)量的變化，后三項則是流體運動過程中，通過控制體各壁面流量的凈和。
l 控制容積內(nèi)動量的增加率 = 動量的流入– 動量的流出 + 凈力
圖15-2 質(zhì)量守恒定律示意圖
數(shù)值模擬中求解的動量方程是根據(jù)動量定理推導(dǎo)出的。動量定理的內(nèi)容是物體動量的增量等于它所受合外力的沖量即Ft=mΔv，即所有外力的沖量的矢量和?？刂企w同樣滿足動量定理。實際流體在流動過程中可能受到多種類型的力，如地球引力導(dǎo)致的重力、流體微團熱運動產(chǎn)生的壓力、粘性導(dǎo)致的內(nèi)摩擦力、電場導(dǎo)致的電場力和磁場導(dǎo)致的洛倫茲力等。其中重力、壓力和內(nèi)摩擦力是普遍存在的三種力，因此的實際流體的動量方程的數(shù)學(xué)方程形式非常復(fù)雜。理想流體忽略了流體粘性，其運動方程可以簡化為下式：
其中，第一項fi表示i方向上控制體受到的質(zhì)量力（與質(zhì)量成正比的力，重力是典型的質(zhì)量力）效應(yīng)，第二項則表示不同面上壓強不同產(chǎn)生的外力效應(yīng)，方程右側(cè)則表示控制體內(nèi)流體動量的變化率。
可以通過這個方程來理解在自然散熱產(chǎn)品的仿真中為什么需要激活重力選項。自然散熱中，流體運動的主要動力是重力：溫度高的空氣密度更低，于是受到的重力低于低溫區(qū)域的空氣。根據(jù)動量定理，重力將使得控制體內(nèi)的空氣沿重力方向的速度增加。這樣，低溫空氣沿重力方向流動后，造成高壓區(qū)，在壓強的作用下，高溫空氣就呈現(xiàn)了上浮趨勢。如果不激活重力，流體將無法流動，計算結(jié)果就沒有參考價值了。
l 內(nèi)部能量變化率 = 流入熱量 + 流入的總焓 - 輸出功 - 流出的總焓
圖15-3 能量守恒定律示意圖
能量方程涉及到能量形式的轉(zhuǎn)換，除了需要考慮動量方程的力之外，還需要引入溫度的變化、內(nèi)摩擦生熱以及熱輻射的影響，因此更加復(fù)雜。下式是一個高度概要化的能量方程。
式中，u，v，w分別指x，y，z方向上的速度。左側(cè)第一項表示控制體內(nèi)內(nèi)能隨時間的變化，第二項表示控制體面上由于流體流動帶來的能量效應(yīng)。方程右側(cè)第一項則表示導(dǎo)熱效應(yīng)，第二項表示控制體內(nèi)熱源產(chǎn)熱速率，第三項和第四項分別表示流體粘性內(nèi)摩擦力產(chǎn)生的熱量和其它因素（如輻射、化學(xué)反應(yīng)等）效應(yīng)。
在固體內(nèi)部，無需考慮流動和粘性項，因此上式可簡化為：
在電子產(chǎn)品熱仿真中，發(fā)熱元器件一般是固體， 
值就表示了單位體積內(nèi)發(fā)熱元件的產(chǎn)生的功耗。由此可見，產(chǎn)熱速率值的準(zhǔn)確性直接影響求解結(jié)果的精度。電子產(chǎn)品熱仿真中，絕大多數(shù)都是關(guān)注設(shè)備達到穩(wěn)定狀態(tài)時的溫度表現(xiàn)，這時，溫度已不再隨時間變化而變化，因此上式左側(cè)變?yōu)?/span>0。在這些前提下，固體內(nèi)部的溫度方程中不再包含密度和比熱容這兩個物性參數(shù)，因此可以不予賦值。而即便是穩(wěn)態(tài)的情景，流體的溫度方程中也會包含密度和比熱項（流體流動項無法忽略），因此所有的情景中流體的這兩個物性參數(shù)都要設(shè)定。
計算之前，軟件會先將整個產(chǎn)品的求解區(qū)域裂解成許多個這種控制體，控制體與相鄰控制體之間就可以根據(jù)上述定律構(gòu)建耦合關(guān)系。求解時，軟件先根據(jù)初始化時的數(shù)值進行耦合計算，物理量在滿足上述定律的前提下逐個傳遞，當(dāng)傳遞至邊界時，由于邊界上的條件是已知的，就可以校驗傳遞過來的數(shù)值與已知邊界條件之間的誤差。根據(jù)誤差，軟件會依據(jù)相應(yīng)的數(shù)值計算方法自動調(diào)整初值，再進行新一輪的計算。總的計算輪數(shù)也就是軟件中的迭代步數(shù)。
圖15-4 相鄰網(wǎng)格間的物理量傳遞：P網(wǎng)格中的熱量、質(zhì)量將和周邊的WNSE網(wǎng)格進行交換
從計算原理可以獲得如下啟發(fā)：
1) 輸入條件如發(fā)熱速率，幾何尺寸，材料參數(shù)等的精度直接決定計算結(jié)果的準(zhǔn)確性；
2) 當(dāng)初始化時的物理量場較為接近真實情況時，計算可以更快收斂；
3) 求解區(qū)域的裂解是模擬計算關(guān)鍵的一步：求解區(qū)域的裂解在軟件實際運用中就是劃分網(wǎng)格。生成的網(wǎng)格必須能夠有效地描述當(dāng)前連續(xù)的物理量場。越細密的網(wǎng)格的確可以更準(zhǔn)確地捕捉到產(chǎn)品內(nèi)部速度場、溫度場的特征，但這勢必增加計算量，造成求解時間延長。因此，網(wǎng)格密度需要找到求解精度和求解效率之間的平衡點。
參考文獻：
本篇節(jié)選自：陳繼良.從零開始學(xué)散熱.第十五章。獲取完整紙質(zhì)版書籍請掃下方二維碼聯(lián)系。
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