水冷散熱器的精細(xì)化設(shè)計是需要借助仿真軟件的。目前可以完成水冷仿真的商業(yè)軟件有很多種，各有優(yōu)勢，在此不做對比。Jason用的是FloTHERM，但是主要的分析方法是一致的。

不同于風(fēng)冷的系統(tǒng)，水冷整個系統(tǒng)比較龐大和復(fù)雜。工程中一般不會將散熱器，換熱器，泵閥等一起仿真，那樣的計算量太大，一般會確定流量后，單獨對水冷散熱器做定流量的分析。

一、工質(zhì)的設(shè)置

考慮到結(jié)冰的影響，一般常用的冷卻介質(zhì)會選擇乙二醇溶液，西方一些國家基于環(huán)保的考慮，限制用乙二醇，則可能應(yīng)用丙二醇溶液。不管乙二醇，還是丙二醇，加入純水之中，都會影響工質(zhì)的散熱性能。

為軟件設(shè)置工質(zhì)時，需要考慮密度，比熱，導(dǎo)熱系數(shù)和粘度四個主要參數(shù)。因為電子散熱場景下，水冷的溫度范圍比較窄，諸如膨脹率等，可以不予考慮。

輸入物性參數(shù)看似簡單，但如果工程師是個愛偷懶的人，比如Jason這樣的，同時再有一點疏忽的話，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的失誤：仿真時，我們經(jīng)常需要生成一些新的材料，如果是穩(wěn)態(tài)問題，我們設(shè)置固體材料時，常常只設(shè)定導(dǎo)熱系數(shù)，密度、比熱等參數(shù)往往因為偷懶而忽略，事實上，有些復(fù)合材料也很難得到這兩個參數(shù)的精確值。因此，在慣性思維的引導(dǎo)下，有的朋友在穩(wěn)態(tài)水冷的場景下，設(shè)置新的冷卻介質(zhì)時，會忽略掉比熱，認(rèn)為這個東東只有在瞬態(tài)問題中才有用。我們看一下對流換熱系數(shù)的求解公式，貌似一眼過去也沒有看到比熱的影子：

事實上，比熱隱藏在Pr數(shù)之中，我們沒有直接定義Pr數(shù)，而是通過比熱，導(dǎo)熱系數(shù)和粘度間接定義的。

如果將比熱默認(rèn)為1，相當(dāng)于將Pr數(shù)縮小了3個數(shù)量級，則對流換熱系數(shù)相應(yīng)的縮小一個數(shù)量級！有興趣的朋友，可以對比試一下，看夠不夠酸爽，夠不夠驚喜。

另外一個需要注意的是，做風(fēng)冷的仿真分析，我們大都適應(yīng)了空氣參數(shù)的皮實。一般按照軟件默認(rèn)的30℃時空氣物性參數(shù)，也不會有太大的麻煩。但是水冷的仿真，需要注意是，乙二醇或丙二醇溶液的粘度隨溫度變化比較大，特別是濃度大的時候。比如濃度50%的乙二醇溶液(V:V)，20℃時的粘度大約是45℃時的二倍，忽略溫度影響，會導(dǎo)致流動阻力的巨大偏差。

FloTHERM中，可在項目庫中的Fluid中右鍵選擇Create Fluid，并在參數(shù)列表內(nèi)輸入對應(yīng)數(shù)值。

Flotherm支持多流體仿真，可以在指定區(qū)域通過Region定義流體。

另外需要提醒的是，Region 的優(yōu)先級相對較低，與固體重合的區(qū)域，默認(rèn)是固體的材質(zhì)屬性，僅有未填充區(qū)域，才是Region設(shè)定的流體，所以如下圖中的復(fù)雜流道，沒有必要劃分成很多個小Region分別定義流體，僅需一個Region將整個流道區(qū)域覆蓋，定義流體即可。

二、源

前文說過，水冷是的仿真分析，一般不會做整個系統(tǒng)的仿真，通常水冷散熱器是做定流量分析的。在FloTHERM里，大都用FixFlow作為流體的源，設(shè)置水冷板的流量。同時可以設(shè)定入口處的工質(zhì)溫度，甚至可以系統(tǒng)的環(huán)境溫度不同。

需要提醒的是，FixFlow必須緊貼在求解域的邊界，否則系統(tǒng)會報錯。

三、收斂問題

最完美的收斂，是各條殘差曲線都達(dá)到1，但是做氣液共存的水冷仿真，這是很奢侈的事。

FloTHERM中，計算終止標(biāo)準(zhǔn)(殘差到1的位置)分別是：

?質(zhì)量平衡終止標(biāo)準(zhǔn)(壓力場殘差)=0.005 M (kg/s)

對于強迫對流: M 代表進(jìn)口或出口處的總流量

對于自然對流: M =ρ.EFCV.A

其中ρ代表流體密度；EFCV: 預(yù)估自然對流速度，默認(rèn)為0.2m/s；A代表水平面面積

?動量平衡終止標(biāo)準(zhǔn)(速度場殘差) = 0.005 MV (N)

對于強迫對流: V 為風(fēng)扇或FixFlow最大速度

對于自然對流: V為預(yù)估自然對流速度

?能量平衡終止標(biāo)準(zhǔn)(溫度場殘差)= 0.005 Q (W)

如果在系統(tǒng)中有熱源或熱沉，則Q為熱源或熱沉總功率

如果系統(tǒng)中無熱源或熱沉，則Q = M CpΔT， ΔT = 20 °C

這些參數(shù)設(shè)置滿足大多數(shù)系統(tǒng)的要求，并且是相當(dāng)保守的收斂標(biāo)準(zhǔn)。含有氣液兩種流體的仿真時，會發(fā)生收斂問題，因為系統(tǒng)默認(rèn)是以空氣作為流體特性參數(shù)而設(shè)置。以壓力場殘差為例，由于水的密度接近于空氣的1000倍，利用空氣的總流量的0.5%作為判據(jù)，這個標(biāo)準(zhǔn)是非常嚴(yán)苛的，因此，水與空氣兩種介質(zhì)共存的仿真場景，殘差會比較高。

為了收斂曲線看上去比較好看，有人會修改收斂判據(jù)，比如把M提高1000倍，但是這對計算結(jié)果沒有影響，只是看上去好看而已。

四、關(guān)于精度

前不久，交流群里有人貼出了一個FloTHERM與其他軟件的對比，結(jié)論是FloTHERM在流動阻力的計算中偏差太大。當(dāng)時在群里引起了比較激烈的討論。最后得知是測評者在FloTHERM模型中把流線型流道改成了垂直相交的，這無疑增大了流動阻力。

FloTHERM對斜面物體的建模，一直為人所詬病。但其實，FloTHERM軟件自帶的FloMCAD Bridge，可以將復(fù)雜的幾何形體轉(zhuǎn)化FloTHERM模型。包括下圖中的圓弧形流道。

仿真精度，其實跟很多因素有關(guān)，邊界條件設(shè)置、物性參數(shù)選取、模型簡化等都會有影響。因此，拋開工程師的因素，把誤差完全歸結(jié)為軟件原因是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

總結(jié)

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