Icepak在電信機柜熱分析中的應用
黃冬梅
（北京海基科技發展有限責任公司 100086）
[摘要] 本文利用Icepak軟件對某電信機柜進行了熱設計。首先建立簡化模型對整個系統進行了分析，然后又利用Icepak軟件的特殊功能zoom-in對最危險的單板進行了細化，得到了元件的溫度分布。從而證明了Icepak軟件的可靠性和有效性。
關鍵詞：電子產品 熱設計 軟件
1. 前言
隨著電子技術水平的高速發展，提高電子產品性能和可靠性，減小體積和重量成了電子產品設計的主要方向。而溫度問題是提高電子產品可靠性最重要的原因之一。一個好的熱分析軟件必將為我們節省時間和金錢。那么，Icepak軟件正是您所需要的。Icepak軟件是由Fluent公司和ICEM-CFD聯合開發的。它的核心技術是Fluent5.5。它擁有Fluent軟件優秀的網格技術、求解技術。是電子熱分析軟件市場的一枝奇葩。
通常電子工程師在使用CFD軟件進行熱分析時，最困惑的事情便是系統規模大時，求解時間較長，少則十幾個小時，多則數日。他們的最大愿望便是提高工作效率。Icepak軟件最新版本3.2.14專門提供給了用戶auto-zoom-in的功能。這一功能能夠幫助用戶很方便地實現模型之間的轉換，從系統級到任一區域的細化，如某塊PCB板。從PCB板再細化到封裝。當您在做zoom-in的時候，icepak會記錄下您所取邊界的詳細信息，如壓力、速度和溫度。這樣您可以在系統級簡化建模，提取邊界條件。從而保證部件級計算結果的準確性和精度。不同級別模型的簡化計算會使您獲得較高的工作效率，節省您的時間。解除了電子工程師使用軟件最大的后顧之憂。
Icepak軟件在電子熱分析方面率先提出如下功能：object-based 建模功能；復雜幾何模型處理功能；并行處理功能和參數化建模功能。Zoom-in的功能是Icepak又一個領先優勢。您可以利用這一技術優勢來提高您的工作效率。
本文就icepak軟件在某電信機柜中的應用，闡述了該軟件zoom-in功能的方便之處。
2. 某電信機柜熱設計仿真
2.1 問題描述
該機柜底部寬218mm，頂部寬90mm。是一個下寬上窄的形狀，上下各有14塊PCB板。模型布局見圖1。底部為進風口，中部和頂部為出風口。風扇架在機柜的中部，對下部和上部的PCB板同時起作用。下層的PCB板中共有70w、36w、28w和25w四類板子，分別插在不同的位置。PCB1，2，4，9，11，12為70w板子，PCB3，6，7，10為35w的板子，PCB5和PCB8為28w的板子，PCB13和PCB14為25w的板子。根據用戶經驗上層PCB板安全，只關心下層PCB板的溫度情況。下層PCB板的布局、功耗、材料等信息較為詳細。因此，我們在以下的分析結果中只給出對下層PCB板的情況。
欲通過CFD軟件對該機柜進行熱設計仿真，了解機柜中發熱元件的溫度情況。評估設計方案的和理性。
2.2 控制方程
Icepak軟件在流動和傳熱問題上，求解三個控制方程：
a. 連續方程（質量守恒方程）：
b. 動量守恒方程（速度分布）：
c. 能量守恒方程（溫度分布）：
2.3 湍流模型
Icepak主要提供了三種湍流模型：
a. 零方程湍流模型
b. 雙方程湍流模型
c. RNG湍流模型
零方程湍流模型的粘度系數定義如下：
由于電子產品的特點是溫升不能太高，一般采用零方程湍流模型也就可以了。當溫升超過100C可以考慮另外兩種方程。
2.4 模型建立
對該系統的分析采用兩個級別：系統級和單板級。系統級分析的目的是評估插板位置、風扇架及進出口位置的合理性。建模時按整板發熱考慮。單板級分析的目的是評估布板的合理性及元件是否滿足設計要求。建模利用Icepak的zoom-in功能提取系統級的邊界條件，細化最危險的單板。在利用zoom-in的時候，需要提取的是所關心區域六個面的溫度、速度和壓力。
3．計算結果
圖2給出了該機柜下層PCB板系統級分析的溫度分布。
每塊PCB板的總功耗及最高溫度見表1：
表1 下層PCB板總功耗及最高溫度
| Pcb號 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 功耗w | 70 | 70 | 35 | 70 | 28 | 35 | 35 |
| Tmax °C | 78 | 69 | 40 | 65 | 38 | 45 | 43 |
| Pcb號 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| 功耗w | 28 | 70 | 35 | 70 | 70 | 25 | 25 |
| Tmax °C | 34 | 65 | 43 | 65 | 67 | 38 | 55 |
由上表可見，70w pcb板中，第1塊板子的溫度最高，因此板級分析時它是重點。35w pcb 板中第6塊板子溫度最高。
下面以第6塊板子為例，采用icepak提供的zoom-in功能，對單板進行分析。
我們取總體坐標系中，
x=161.5mm~201.5mm分別為pcb6的左右邊界，
y=91mm~442mm分別為pcb6的上下邊界，
z坐標分別為系統的前后邊緣。
左右邊界取系統級計算結果的壓力P,溫度T，三個方向的速度Vx, Vy, Vz,
下邊界取系統級計算結果的速度和溫度作為板級的速度入口，
上邊界取壓力和溫度，作為板級分析的壓力出口。
PCB6的邊界條件見圖3。
PCB6板級的計算結果見圖4。
4. 小結
根據以上計算及用戶的反饋意見，計算結果真實可靠。整個系統如果不簡化，則需要300萬以上網格。目前很少有微機能夠解算。采用了zoom-in 的功能后，系統級只需網格數為18萬，求解時間為30min。單板分別需要網格數為32萬，求解時間為60min。求解計算機為CPU PIII450, 內存256M。也就是說普通的微機即可解決。由此可以得出如下結論：
該計算結果的精度滿足設計要求，結果可靠。
Icepak軟件提供的zoom-in功能，大大提高了工作效率。
5．參考資料
Icepak User’s Guide
Icepak training notes
Icepak資料下載: FLUENT第一屆中國用戶大會論文集33-40.pdf
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