案例5 - 电子芯片冷却

1.案例介绍

电子芯片是现代电子设备中的核心组件，其性能和稳定性很大程度上依赖于对温度的控制。使用格物CAE的流动传热模块，可以对空气在电子芯片表面产生的对流和传热现象，以及在散热结构中的流动路径，并显示电子芯片表面的温度分布和散热效果。本案例中，一个电子器件通道内有用于电子芯片冷却的铝制散热器，散热器与芯片直接相连，器件内部通过周围的流体 （本例中为空气）流动进行散热冷却，如图所示：

本案例的空气从入口进入通道，从出口离开，同时，在流体区域内加入散热器和芯片等固体域，直接分析固体与流体之间的传热作用。

芯片散发的热量为 5 W，均匀分布在整个芯片体中。

2.网格文件

网格文件：chip_cooling.med

3.操作说明

本案例在格物CAE->流动传热模块中完成。

3.1 计算设置

流动传热仿真 处，选择湍流模型为 层流模型，时变特性为 稳态，如图所示：

3.2 网格导入

下载网格文件，在 流动传热仿真 -> 网格 中，类型选择 上传网格，点击上传网格，以拖曳或以选择文件的方式依照指示将网格文件导入。

导入网格后，可通过鼠标左键移动视角，右击平移网格体。

3.3 设置材料

点击 材料 右侧的[+]，添加流体材料，选择 空气。 空气的动力粘度为 0.1828e-6 Pa·s，密度为 1.196 kg/m³，比热为 1004 J/kg/K，热导率为 0.02575 W/m/K，如图所示：

3.4 初始条件

点击 流动传热仿真 > 初始条件，设置湍流初值为 默认，温度为 293.15 K，如图所示：

3.5 边界条件

点击 流动传热仿真 > 边界条件 右侧的 [+]，即可选择预定义的边界条件，依此进行如下边界条件的定义：

• 速度入口

点击选择速度入口，点击 施加位置 右侧的 [+]，勾选 inlet，设置速度大小为法向 0.05 m/s，设置温度边界类型为定温度，温度大小为 293.15 K。

设置完成情况如图所示：

• 出口

选择出口，点击 施加位置 右侧的 [+]，施加位置勾选 outlet，设置温度边界类型为定温度，温度大小为 293.15 K。

设置完成情况如图所示：

• 壁面1

点击选择壁面，点击 施加位置 右侧的 [+]，施加位置勾选 wall_adia，设置温度边界类型为 定热流，热通量为 0 W/m²，设置完成情况如图所示：

• 壁面2

点击选择壁面，点击 施加位置 右侧的 [+]，施加位置勾选 wall，设置温度边界类型为 热对流，环境温度大小为 293.15 K，对流换热系数选择经验值 10 W/K/m²，设置完成情况如图所示：

3.6 体组设置

点击 流动传热仿真 > 体组 右侧的 [+]，即可选择预定义的体积条件，依次进行如下体组的定义：

• 热源

点击选择 热源，点击 施加位置 右侧的 [+]，勾选 chip，热源值为单位体积热源值，10 W对应为 1666666.667 W/m³ ，设置完成情况如图所示：

• 固体域1

点击选择 固体域，点击 施加位置 右侧的 [+]，勾选 chip，随后填写芯片的物性：密度：2203 kg/m³； 比热：703 J/kg/K； 导热系数：1.38 W/m/K，以及芯片的初始温度 293.15 K，设置完成情况如图所示：

• 固体域2

点击选择 固体域，点击 施加位置 右侧的 [+]，勾选 heat_sink，随后填写铝的物性：密度：2700 kg/m³； 比热：900 J/kg/K； 导热系数：238 W/m/K，以及散热器的初始温度 293.15 K，设置完成情况如图所示：

3.7 设置时间步和计算资源

点击 流动传热仿真 > 时间步&资源，保持 定时间步长计算，选择时间步数为 200，时间步长为 0.1 s，选择输出频率为 10，即每计算1s输出一帧后处理结果，如图所示：

4. 提交计算和查看仿真结果

设置完成后，点击 仿真计算，点击 开始计算，即可提交计算。

计算完成后，在流动传热仿真处会显示绿色图标，此时可开始进行仿真结果的查看。

点击 仿真计算->结果云图，选择物理场为 TempK/TempK ，点击播放键可观看流动传热过程。点击 后处理，点击 切面 、新增，可以查看温度场分布情况：