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案例八 液冷散热
一. 案例描述
发热量比较大的元件如 IGBT 等用风冷散热有时无法较好地控制其温度， 因此经常会用到液冷散热。在本例中，我们将演示 6SigmaET 软件导入三维 CAD 结构软件中建立的冷管、冷板、IGBT 组成的组件，其结构如下图所示。
本案例需关注以下知识点：
1. 水口的建立方式，水的流向。
2. 如何检查流道密封性。
3. 重叠物体的优先级。
4. 本案例建模约 30 分钟，计算约需要 1 小时。
二. 建模过程
建立强迫对流模板
打开软件，点击 File >> New >> Forced Convection，建立一个强迫对流的模
型。
导入 CAD 实体
点击 File >> Import 将三维组件导入到求解域当中，导入过程中出现的导入 选项均保持默认。
此时，选中冷板组件的组可以发现其原点偏离实体较远，这是三维结构软 件当中的设置的问题。为了方便对组件进行旋转等操作，我们将其原点移动到组 的体中心。方法是选中组后，在上方会出现 Group Obstruction 的专有菜单，点击 Center 图标。
此时，可以发现组件原点已位于其体中心。
由于求解域尺寸太小，无法容纳组件，我们将求解域调大一些。可以用鼠 标拖拽调整或在其属性表里输入数值，比如，调成下图中所示的尺寸。
接下来调整一下冷板组件的朝向，让 IGBT 模块在上面，水管进出口朝前。 有两种方法，一种是调整到二维视图，然后在原点的粉色箭头上右键输入旋转角 度，另一种是在 Group 的属性里输入具体的角度，需要注意角度跟坐标轴之间的 对应，如下图所示，是绕 X 轴旋转 180，绕 Y 轴旋转 90 度。这两种方法最终达 到的效果是一样的。
接下来将求解域和组件中心对齐，先选中求解域作为基准，按住 Ctrl 键再 选中组件，执行 Align 命令，三个轴向均中心对齐。
实体的颜色和显示方式可以根据自己的喜好自行设定，对计算不会产生影 响。此时模型如下图。
三. 定义特性参数和划分网格
定义各部分的材料
先定义 IGBT 模块的外壳部分的材料，从材料库中选择 ABS 材料赋予给三 个物体。完成此操作之后，将三个物体隐藏。
将 IGBT 模块的底板、内部热源、冷管选中，将它们的材料定义为铜。
将冷板的材料设定为铝合金。
此时，视图区下面出现的仅剩物体冲突的错误，利用 Object Panel 的选择功 能选中所有实体，在属性表里将此类提示关闭。
物体优先级
在三维模型中，外壳上并未挖出热源所占用的空间，因此，外壳和热源之 间发生了实体的重叠。
在 6SigmaET 中，需要注意物体之间的优先级，在结构树中靠下的物体优 先级高，重叠的部分属于靠下的物体。将外壳部分改名为 Case，以方便区分。
选择其中一个 IGBT 的几个零部件可以发现，热源部分是在下面的，因此， 无需作更改。如果在其它模型中遇到热源在结构树中靠上的位置，优先级低的情 况，可以选中它按 Ctrl 和键盘上的下箭头，将其朝下调整。
定义热源功耗
选中面积较大的三个热源，功耗定义为 1400W，三个较小的热源，功耗定 义为 600W。
建立进出水口
进出水口在 13 和以前的版本中必须要建立在机壳的壁面上，因此，我们首 先在求解域中新建立一个机壳。
由于我们建立机壳的目的是保留其一个壁面作为辅助面用于建立水口，因 此，其大小比水口稍微大一些即可。可以切换到二维视图，从不同的方向拖拽尺 寸调节绿点，最终建立如下图所示的较小的机壳。
需要特别注意的是，我们要保留机壳的前壁面作为辅助面，在调整机壳大 小时，要让机壳前壁面与冷板前端面完全贴合，不能有缝隙，否则会出现漏液的 情况，计算结果将没有意义。在用鼠标调整机壳大小时，用 Shift 键可以捕捉到 冷板前端面，具体操作可参见前面的内容。
此时，需要将机壳的其它几个面卸载掉，否则冷却液进入冷管后会遇到后 壁面的阻碍，计算出错。
例如，设置不当可能会引起下图所示的质量不守衡的错误。
接下来在机壳的前壁面上建立一进一回两个水口。
建立完毕后，可以将供水口和回水口都调成透明的，便于观察。水口直径 默认值为 20mm，与水管直径相同，不用调整。
下面调整水口的位置，我们可以以水管为基准，将水管和进水口沿 X 轴低 坐标对齐，沿 Y 轴中心对齐。将水管和出水口则沿 X 轴高坐标对齐，沿 Y 轴中 心对齐。
此操作步骤需要特别注意的是水的流动方向，水是从机壳外面经进水口朝 机壳内部的方向流动的。如果把进出水口建立在机壳的后壁面上，则水将直接流 向管道外面，而不会进入管道中了，显然计算会出错。
建立泵
选中求解域或机壳，建立 Pump（泵）作为冷却液的驱动力。
选中泵，在其属性表里设定流量为 10L/min，供水温度设为 20 度，还需要 将泵与进出水口连接起来，过程类似于为物体赋予材料。将两个水口与泵连接后， 错误提示区信息消失。
注意，泵的属性中 Placement 一项需要保持为默认的外部泵 External。外部 泵的具体的形状、大小对计算是无关紧要的，其提供的流量、供液温度等参数才 会对计算有影响。
建立监控点
1. 为热源建立温度监控点 选中所有热源，为其建立温度监控点。
2. 建立压力监控点 选中冷板或冷管。
在 Sensor 的属性表里将监控的变量更改为 Pressure 即压力，利用二维视图 和鼠标拖拽操作将 Sensor 移动到靠近进水口附近。
将第一个 Sensor 原地复制（Ctrl+D），并把复制品移动到回水口附近。
设定环境温度
环境温度保持为默认的 20 度不变。
生成并查看网格
先生成并查看一下网格，查看网格的具体方法见前面内容，在此不再赘述。 将实体调为透明的，可以看到，冷管的外形捕捉的还是比较好的，只是内部的网 格稍微有些粗糙。
取消显示网格，选中冷板实体，为其建立 Grid Control 即网格加密。
在 Grid Control 的属性里将 Direction 更改为 Geometry Based，勾选 Apply To Fluid，Maximum Size In Fluid 一项更改为 2mm。设置完毕后将 Grid Control 显示 属性更改为 Hidden。
再次显示网格，可以看到，管内网格得到了细化。
四. 进行计算并查看结果
打开混合网格
选中 Solution Control，在其属性表里将 Hybrid Cells 一项勾选。此选项有助 于提高液冷模型的压力计算精度。对于前面的自然散热或风冷散热模型，影响不 大，可以不用勾选。
检查流道密封性
液冷模型中有时候会因为网格不够精细或者三维结构中存在的小间隙而产 生漏液的情况，一般建议在液冷模型开始计算前检查一下模型。点击一下 Solve 菜单中的 Verify Model 命令检查模型。
等待检查模型命令完成，如果是复杂的模型可能需要较长的时间。
选中进水口为其建立 Flow Solution Region。
在 Region 的属性里将 Propagation Distance 中的数值从默认的 1 逐步增加， 如果没有出现漏液的情况，则当数值足够大时，可以观察到冷管中的流体域的形 状。如果出现漏液，则 Region 将延伸到管道外面，增减 Propagation Distance 的 值以确认在哪个位置出现了漏液。然后检查是三维结构中出现了缝隙，或者壁厚 非常薄，网格没有足够细化的原因。
开始计算
模型没有问题后正式开始计算。
经过一定时间的计算，模型趋于收敛。
查看温度结果
选中所有实体，将其全部显示。
然后进入这些实体的属性表，将它们归类到 PCB 图层。
取消选择，显示 PCB 图层的温度。
此时，可以看到实体表面温度的分布情况。
选择 Results >> Object Defined 可以将温度结果去掉。
将三个 IGBT 的外壳部分隐藏掉。
再次显示 PCB 图层的温度，可以看到内部热源的温度分布。
查看完毕后，再次关掉温度结果即可。选中冷管，双击或点击 Home >> Show in New Tab 可以生成冷管的独立视图。
加载 PCB 图层温度，可以查看到冷管的表面温度结果。
查看速度矢量图
在视图区右键菜单中选择新建 Result Plane，建立新截面。
选中新建的截面，按 F 键切换到下面视图，拉动位置调节蓝点将其调整到 水口中部的位置（也可以用对齐命令，以冷管为基准把冷管和截面沿 Y 方向中 心对齐）。截面的属性表里 Plot Type 一项更改为 Flow Pattern，即显示矢量图。 Clip Geometry 更改为 Positive，即隐藏截面上方一侧。
切换到俯视图后，可以看到每一点的流动方向。
查看压力云图
在截面属性里将矢量图更改为云图，显示变量更改为 Pressure，即压力。建 立两个 Push Pin，可以显示进出口处的压力。
制作流线动画
将截面隐藏，把 PCB 图层显示为线框形式。
选中 Pump Supply 和 Pump Return，为它们建立 Streamline。
在 Animation 菜单里可以查看或录制动画，动画格式可以是 GIF 或者 WMV。
