散热仿真基础知识

一、热分析基础

（1）传热的基本形式

①热传导：指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相触的低温物体的过程，简称导热。

②热对流：指固体表面与附近流体间的传热。

③热辐射是指一定温度下物体的热能通过电磁波的形式向外发射的过程。

（2）热传导方程

傅里叶定律

若是线性变化的

（3）牛顿冷却方程

对流的两种方式：

①自然对流：是没有外界驱动力但流体依然存在运动的情况，引起流体这种运动的内在力量是温度差。

②强制对流：当有外力推动（如泵或风扇）流体导致流体运动的对流现象。

（4）案例

对芯片组分别进行稳态热分析，并对结果进行相关后处理。

芯片热量：25W

胶层热阻：3E-6（K·m2）/W

散热器对流：250W/m2·K

芯片对流：100W/m2·k

总环境温度：298K

材料设置：

胶层热阻设置：

芯片热量设置：

散热器对流设置：

芯片对流设置：

温度计算结果：

二、瞬态热分析及参数设置意义

（1）案例

对芯片组分别进行恒定热载荷的瞬态分析，并对结果进行相关后处理，

芯片热量：25W

胶层热阻：3E-6（K·m2）/W

散热器对流：250W/m2·K

芯片对流：100W/m2·k

总环境温度：298K

（2）瞬态热分析设置

①总的时间：需要计算的加热时长，该参数的设置根据实际实验测试或者检验条件确定，本案例设置为300S

②时间增量：单次计算时间间隔步长，间隔步长越小，计算精度越高，但是计算量越大，建议按照总时间步长5%左右设置步长

③初始温度的设置

有初始温度才能计算出温度的变化趋势

计算结果：

内部有点的温度变化曲线：

（3）参数的意义及影响

①热阻对计算结果的影响

假设将热阻从3E-6（K·m2）/W增大至3（K·m2）/W

温度增高至455℃

也就是热阻会阻碍热量的传递，热阻越大越难传递热量。

接合表示热阻为0

绝缘表示热阻无穷大∞

②对流换热系数

假设沿着上述的第二步将芯片的对流换热系数从100W/m2·k增大至200W/m2·k

稳态计算结果如下：

最高温度为279℃

三、仿真模块分类和耦合问题

现在散热问题一般都不在simulation中的热力分中进行，一般在Flowsimulation中进行，因为一般换热系数较难获取并且计算误差较大，虽然计算时间相对较快。

（1）耦合场分析

耦合分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工成学科的交叉作用和相互影响，根据分析的结合顺序分为单向耦合和双向耦合。

（2）不同物理场的自由度

结构——位移

热——温度

电——电位

流体——压力（也可以算温度）

磁场——磁位

一般是热固耦合、流固耦合、电热磁耦合

四、轴对称问题和热应力分析

（1）二维平面问题——轴对称

当几何体、材料属性、结构和热荷载、夹具以及接触条件绕同一根轴对称的问题。

（2）案例

金属膨胀节

简化为2D轴对称模型，通过金属膨胀节的气体压力为0.3MPa。温度为220℃，空气对流系数为25W/m2·k，环境温度25摄氏度，同时在结构安装过程中整体拉长8mm，通过温度的分布对结构的应力应变问题进行考察

法兰：碳钢波纹管：AISI316

①先进行热力分析得出热边界条件

材料设置如下：

温度设置：

对流及环境温度设置：

热力计算结果如下图所示：

②热固耦合

对称设置：

拉伸8mm设置：

（因为是对称的，所以设置4mm，4+4=8mm）

压力设置：

热力及初始温度设置：

应力计算结果如下图所示：

应变计算结果如下图所示：