1 熱仿真的作用
電子產品散熱仿真屬于計算流體動力學（CFD）的一個分支，表示使用計算機軟件構建電子產品的數值模型，通過數值計算和圖像顯示等方法，評估、分析電子產品的散熱、噪聲等表現。
熱仿真可以視為是一種虛擬實驗。它可以在不做出實際產品的前提下，通過輸入一系列的信息數據，來計算在不同運行場景下產品的散熱風險。因此，熱仿真能夠提前預判產品的散熱方案是否合理，從而節約研發時間和打樣成本。當前，隨著計算機性能的提升以及數值求解技術的不斷完善，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計工作中最重要的輔助工具之一。熱仿真能夠實現的基本功能如下：
1) 可計算產品在不同環境下（溫度、濕度、海拔、陽光直射等）的溫度表現；
2) 可顯示產品內部及周圍熱流路徑，便于分析散熱控制環節；
3) 可顯示以及冷卻介質速度分布、流動路徑、壓強分布、風扇和泵的工作點等流動相關的信息，便于分析理解散熱狀態和優化方向；
4) 可以實現相關參數自動優化計算，在設計中的多變量耦合關系中自動獲取最優設計區間。
2 熱仿真的基本原理
熱仿真的本質是求解一系列根據流體力學和傳熱學的基本物理定律推導出的方程組。在求解時，軟件首先將連續空間割裂成一個個小塊，每一個小塊就相當于一個控制體（這個過程在仿真軟件中就是生成網格的過程）。在一個控制體內，凈流入的質量將導致物體密度的變化，而凈流入的能量則導致物體溫度的變化，即每個控制體都必須滿足質量守恒定律和能量守恒定律。對于流速的變化，則是依據動量定理得出的，即物體在單位時間內某方向上動量的變化與它受到的沖量值相同。這幾個定理，連同流體狀態方程（流體的密度、導熱系數、粘度、比熱容等物理性質隨溫度、壓強的變化關系式）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。
l 控制體內質量的增加率 = 流入質量速率 - 流出質量速率
由于控制體的體積并不變化（網格劃分完后，就固定不變了），因此質量的增加量只能用密度來體現。當將工質的密度視為不可變時，流入的質量就等于流出的質量。
圖15-1 質量守恒定律示意圖
質量守恒定律用數學方程表示，則為：
式中左側第一項即為由密度隨時間變化引起的控制體內部質量的變化，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 控制容積內動量的增加率 = 動量的流入– 動量的流出 + 凈力
圖15-2 質量守恒定律示意圖
數值模擬中求解的動量方程是根據動量定理推導出的。動量定理的內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。控制體同樣滿足動量定理。實際流體在流動過程中可能受到多種類型的力，如地球引力導致的重力、流體微團熱運動產生的壓力、粘性導致的內摩擦力、電場導致的電場力和磁場導致的洛倫茲力等。其中重力、壓力和內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學方程形式非常復雜。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量力（與質量成正比的力，重力是典型的質量力）效應，第二項則表示不同面上壓強不同產生的外力效應，方程右側則表示控制體內流體動量的變化率。
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域的空氣。根據動量定理，重力將使得控制體內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，在壓強的作用下，高溫空氣就呈現了上浮趨勢。如果不激活重力，流體將無法流動，計算結果就沒有參考價值了。
l 內部能量變化率 = 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、內摩擦生熱以及熱輻射的影響，因此更加復雜。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。左側第一項表示控制體內內能隨時間的變化，第二項表示控制體面上由于流體流動帶來的能量效應。方程右側第一項則表示導熱效應，第二項表示控制體內熱源產熱速率，第三項和第四項分別表示流體粘性內摩擦力產生的熱量和其它因素（如輻射、化學反應等）效應。
在固體內部，無需考慮流動和粘性項，因此上式可簡化為：
在電子產品熱仿真中，發熱元器件一般是固體， 
值就表示了單位體積內發熱元件的產生的功耗。由此可見，產熱速率值的準確性直接影響求解結果的精度。電子產品熱仿真中，絕大多數都是關注設備達到穩定狀態時的溫度表現，這時，溫度已不再隨時間變化而變化，因此上式左側變為0。在這些前提下，固體內部的溫度方程中不再包含密度和比熱容這兩個物性參數，因此可以不予賦值。而即便是穩態的情景，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都要設定。
計算之前，軟件會先將整個產品的求解區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上述定律構建耦合關系。求解時，軟件先根據初始化時的數值進行耦合計算，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值與已知邊界條件之間的誤差。根據誤差，軟件會依據相應的數值計算方法自動調整初值，再進行新一輪的計算。總的計算輪數也就是軟件中的迭代步數。
圖15-4 相鄰網格間的物理量傳遞：P網格中的熱量、質量將和周邊的WNSE網格進行交換
從計算原理可以獲得如下啟發：
1) 輸入條件如發熱速率，幾何尺寸，材料參數等的精度直接決定計算結果的準確性；
2) 當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) 求解區域的裂解是模擬計算關鍵的一步：求解區域的裂解在軟件實際運用中就是劃分網格。生成的網格必須能夠有效地描述當前連續的物理量場。越細密的網格的確可以更準確地捕捉到產品內部速度場、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：
本篇節選自：陳繼良.從零開始學散熱.第十五章。獲取完整紙質版書籍請掃下方二維碼聯系。
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