CFD散热基础知识介绍
第1课时 CFD基础教程
第一课时
1 什么是CFD？
CFD：即计算流体力学（Computational Fluid Dynamics），是近代流 体力学，数值计算和计算机等结合产物。它以计算机为工具，应用各 种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机 模拟和分析研究，以解决各种实际问题。
后处理
Tecplot、Origin、CFD-Post、ParaView、OpenDX…用
（3）海洋工程
2 CFD应用
（4）汽车工业
2 CFD应用
（4）能源工程
2 CFD应用
（5）化学工程
2 CFD应用
（5）生物工程
3 为什么需要CFD？
CFD优势： （1）不需要实验模型、风洞、仪器仪表等，周期短，可节省 大量成本， （2）计算结果丰富，可提供详细流场结构。 （3）可模拟难以进行实验的流动问题：超音速、高温高压 （4）能实现虚拟设计与制造
CFD可以做什么？ （1）复杂复杂流动问题：泵、风机、阀门等 （2）化学组分混合、燃烧、反应过程：反应器、燃烧器、锅炉 （3）传热、传质、相变过程：换热器、省煤器、过滤器、热水器 （4）多相流动问题：气液、气固、气液固、油气水 （5）流固耦合：应力分析
2 CFD应用
（1）航空航天
2 CFD应用
4 CFD发展
5 CFD模拟概述
6 CFD常用软件
前处理
CAD、Pro-E、SolidWorks、ICEM、Gambit、Delaundo、 Engrid、GMSH、gridgen、IA-FEMesh……
仿真计算
CFX、Fluent、CFX、Openfoam、COMSOL Multiphysics、FloEFD、PHOENICS、STAR-CD、STARCCM+、Polyflow、 Icepak、CFX-TASCflow……
散热知识详解
散热知识详解目录热传递的原理与基本方式 (3)散热方式 (4)风冷 (4)液冷 (4)热管 (5)半导体制冷 (5)化学制冷 (5)第一、材质的选择 (5)纯铝散热器 (5)纯铜散热器 (6)铜铝结合技术 (6)第二、制作工艺 (6)1.底座的制作工艺 (6)拉丝工艺（研磨） (6)盘铣工艺（切削） (6)数控机床 (7)其它工艺 (7)2.常见的铜铝结合工艺 (7)扦焊 (7)贴片、螺丝锁合 (7)塞铜嵌铜 (7)3.散热器的加工成型技术 (8)铝挤压技术（Extruded） (8)铝压铸技术 (8)可挠性制程 (9)锻造制程 (9)刨床、切削工艺 (9)精密切割技术 (10)扩展结合工艺 (10)折叶（Fold FIN）技术 (10)压固法 (10)第三、风扇 (10)1.风量 (11)风量和风压 (11)风扇转速 (11)2.风扇噪音 (11)(1) 振动 (12)(2) 风噪 (12)(3) 异音 (12)3.风扇的使用寿命 (12)4.散热风扇的送风形式 (13)轴流风机 (13)离心风机 (13)其它改进风道的设计 (13)5.风扇的叶片 (13)叶片形状 (14)6.风扇的轴承 (14)含油轴承 (14)滚珠轴承 (14)单滚珠轴承 (14)双滚珠轴承 (15)来福轴承 (15)HYPRO轴承 (15)液压轴承 (15)纳米轴承 (15)第四、热管 (16)热管散热简介 (16)热管散热基础知识 (16)热管散热的适用范围 (16)热管散热的原理 (17)热管散热技术解析 (17)散热器材质的比热 (18)散热器与环境的热交换 (19)对作大功率LED照明的朋友，应该有一定的帮助。
热传递的原理与基本方式学过中学物理的朋友都知道，热传递主要有三种方式：第一传导：（Conduction）物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传导，这是最普遍的一种热传递方式，由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量。
cfd基础
流体力学基础流体力学研究流体（气体与液体）的宏观运动与平衡，它以流体宏观模型作为基本假说。
显然，流体的运动取决于每个粒子的运动，但若求解每个粒子的运动即不可能也无必要。
对于宏观问题，必须在微观与宏观之间建立一座桥梁。
流体宏观模型认为流体是由无数流体元（或称流体微团）连续地组成的（即连续介质）。
所谓流体元指的是这样的小块流体：它的大小与放置在流体中的实物比较是微不足道的，但比分子的平均自由程却要大得多，它包含足够多的分子，能施行统计平均求出宏观参量，少数分子出入于流体元不会影响稳定的平均值。
另一方面，对于进行统计平均的时间也应选得足够大，使得在这段时间内，微观的性质，例如分子间的碰撞等已进行了许多次，在这段时间内进行统计平均能够得到稳定的数值。
于是，从统计物理中得知，分子的物理量（质量、速度、动量和能量）经过统计平均后变成了流体元的质量，速度，压力和温度等宏观物理量，分子质量、动量和能量等输运过程，经过统计平均后表现为扩散，粘性，热传导等宏观性质。
上述微观上充分大、宏观上充分小的流体元称为流体质点，将流体运动的空间看作是由流体质点连续地无空隙地充满着的假设称为连续介质假设。
应该指出，有了此假设才能把一个微观问题化成宏观问题，且数学上容易处理。
实验和经验也表明在一般情况下这个假设总是成立的。
但是。
在某些特殊问题中，连续介质的假设也可以不成立。
例如在稀薄气体力学中，分子间的距离很大，它能和物体的特征尺度比拟，这样虽然获得稳定平均值的流体元还是存在的，但是不能将它看成一个质点。
又如考虑激波内的气体运动，激波的尺寸与分子平均自由程同阶，激波内的流体只能看成分子而不能当作连续介质来处理了。
CFD的求解过程CFD的求解过程为了进行CFD计算，用户可借助商用软件来完成所需要的任务，也可自己直接编写计算程序。
两种方法的基本工作过程是相同的，无论是流动问题、传热问题，还是污染物的运移问题，无论是稳态问题，还是瞬态问题，其求解过程都可用图1表示。
CFD-简介及国内外发展状况
1。
1 计算流体力学的起源计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。
他作为流体力学的一个分支产生于第二次世界大战前后，在20 世纪60年代左右逐渐形成了一门独立的学科【1】。
总的来说随着计算机技术及数值计算方法的发展，我们可以将其划分为三个阶段：第一,初始阶段（1965～1974)，这期间的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题,如模型方程（湍流、流变、传热、辐射、气体－颗粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等)、网格划分、程序编写与实现等，并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律。
同时为了解决工程上具有复杂几何区域内的流动问题，人们开始研究网格的变换问题,如Thompson, Thams和Mastin提出了采用微分方程来根据流动区域的形状生成适体坐标体系,从而使计算流体力学对不规则的几何流动区域有了较强的适应性，逐渐在CFD 中形成了专门的研究领域:“网格形成技术”。
第二，工业应用阶段(1975～1984年),随着数值预测、原理、方法的不断完善，关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设计中得到应用,因此，该阶段的主要研究内容是探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广应用。
同时，CFD技术开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等。
但是,这些研究都需要建立在具有非常专业的研究队伍的基础上，软件没有互换性，自己开发，自己使用，新使用的人通常需要花相当大的精力去阅读前人开发的程序,理解程序设计意图,改进和使用。
1977年，Spalding等开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的GENMIX程序公开，其后，他们首先意识到公开计算源程序很难保护自己的知识产权，因此，在1981年，组建的CHAM公司将包装后的计算软件（PHONNICS －凤凰）正式投放市场,开创了CFD商业软件的先河，但是，在当时，该软件使用起来比较困难，软件的推广并没有达到预期的效果。
02_CFD的基础知识
Elective Course for Graduate Students2.1 流体与流动的基本特性理想流体与粘性流体粘性(viscocity)：是流体内部发生相对运动而引起的 内部相互作用力 粘性的表现： 表现一：相邻两层流体作相对运动时有内摩擦作用。
表现二：流体对固体表面的粘附作用。
2 计算流体力学的基础知识孙晓颖 Harbin Institute of Technology1• 内摩擦概念由牛顿（I.Newton，1687）首先提出，称为 牛顿粘性假说（《自然哲学的数学原理》） • 流体内摩擦是两层流体间分子内聚力和分子动量交换的 宏观表现。
• 库仑实验：把一薄圆板用细丝平吊在液体中，将圆板转 过一角度后放开，圆板作往返摆动，逐渐衰减，直至停 止，测量其衰减时间。
用三种圆板 （a、普通板，b、表 面涂蜡，c、表面胶一层细砂）做实验。
• 库仑实验证明衰减原因不是圆板与液体间的摩擦，而是 液体内部的摩擦，即内摩擦。
23牛顿流体与非牛顿流体依据内摩擦剪应力与速度变化率的关系不同，粘 性流体分成牛顿与非牛顿流体 内摩擦剪应力与速度变化率之间是线性关系，且经 过原点，这种称为牛顿流体，反之为非牛顿流体 观察近壁面处的流体流动，可以发现，紧靠壁 面的流体粘附在壁面上，静止不动，而在流体内部 之间的粘性所导致的内摩擦力的作用下，靠近这些 静止流体的另一层流体受迟滞作用速度降低。
4牛顿粘性假设：流体内摩擦力与两层流体间的相对速度 成正比。
剪切变形率设x方向单位面积上的流体内摩擦 力为τ，称为粘性切应力。
按牛 顿粘性假设：牛顿内摩擦定律：流体内摩擦应力与单位距离上的两层流 体间的相对速度成比例。
5粘度1粘度牛顿流体 非牛顿流体非牛顿流体非牛顿流体的本构关系为：& τ = f (γ , y)μ 水 = 1× 10 −3 Pa ⋅ s• 牛顿流体满足牛顿粘性定律，流 动曲线切应力与切变率成线性关 系； •非牛顿流体的切应力不仅与切变 率成非线性关系，而且还可能与时 间有关 图中曲线b、c、d分别代表不同类型的非牛顿流体；这些 类型的流体在化工、石油、纺织、食品等部门及生物体内 广泛存在。
基于CFD_的某有源相控阵雷达散热系统性能优化
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2023年第21期·15·文章编号：2095-6835（2023）21-0015-03基于CFD 的某有源相控阵雷达散热系统性能优化＊何哲旺，包晓军，刘远曦，杨精波（广东纳睿雷达科技股份有限公司，广东珠海519080）摘要：电子元器件的散热效果对相控阵雷达的性能和可靠性都有重要的影响。
以某一有源相控阵雷达的天线阵面的散热系统为研究对象，介绍了一种采用CFD （Computational Fluid Dynamics ，计算流体动力学）仿真技术对散热器的翅片数和翅片厚度进行优化的方法，重点对优化过程和优选方案性能提升的原因进行了理论分析。
结果表明，相比原方案，优化方案的散热器导热热阻下降了14.5%，电子器件的最高工作温度降低了3.5℃；当翅片数量增加到一定程度后，风道阻力增加，空气流量急剧下降，达不到强化传热的效果。
关键词：相控阵雷达；强迫风冷；热设计；CFD 中图分类号：TN958.92文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.21.004有源相控阵雷达的天线阵面中，安装有大量的电子元器件，这些器件工作时会产生大量的热损耗，如果不能有效排除这些热量，将会严重影响雷达系统正常工作，甚至损坏设备。
因此，研究高效的散热方案对有源相控阵雷达而言是一个非常重要的课题[1-2]。
随着科学技术的迅速发展，更大、更高精度的雷达产品将成为发展趋势，面临更为严峻的散热问题。
近年来，研究人员对雷达的散热系统进行了大量研究。
刘巍等[3]对某雷达天线的风冷散热风腔进行了研究，提出了针对该散热系统的推荐风腔厚度值区间；郁圣杰等[4]采用两相均热板技术对某雷达天线阵面的数字化子阵的散热情况进行了研究，取得了较好的散热优化效果；张根烜等[5]则研究了微通道液冷冷板对某型数字阵列模块的冷却效果。
发动机舱散热的CFD研究
北京汽车0前言在汽车设计中，发动机散热问题十分重要。
发动机散热性能的好坏直接关系到汽车的寿命、性能，甚至会直接影响汽车能否正常行驶。
在传统的汽车设计过程中，由于汽车的发动机舱内部结构十分复杂，很难对汽车的发动机舱和汽车外部流动同时进行试验模拟，因此，其散热性能的评估往往采用经验或者是工程估算的方法。
随着计算机技术的发展而兴起的汽车计算流体力学（CFD ）具有限制条件少、信息丰富、成本低、周期短等显著特点，可以得到大量目前试验难以获得和解释的信息。
因此，利用CFD 技术处理汽车发动机舱内散热问题不失为一种有效的方法。
本文采用汽车表面和发动机舱内部内、外流场耦合计算数值模拟方法，应用多孔介质边界条件和散热器边界条件，建立了冷凝器、中冷器和散热水箱计算物理模型，结合中冷器和散热器风阻性能及风扇压降与速度关系，确定发动机舱计算模型边界条件。
分别对1挡最大功率点（48km/h ）和5挡最高车速（190km/h ）时发动机舱的流场和温度特性进行了研究。
1建立数学模型发动机舱内部结构十分复杂，存在着许多油、水、电管道和电缆。
对于如此复杂的发动机舱内部的流动计算问题，就目前国内外的CFD 水平，还无法对其进行完全真实形状数值模拟。
因此，在保证反映发动机舱内真实流动特性的前提下，需对真实形状进行简化，并建立计算所用的CAD 模型。
计算过程中，对于一些对流动影响不大的管道、电线等作了局部简化，用于数值模拟计算的几何模型如图1所示。
（a ）发动机舱内部几何模型（b ）汽车外部几何模型图1几何模型图1（a ）给出了所计算车型的发动机舱内的系统布局情况。
图1（b ）给出了所计算车型的汽文章编号：1002-4581（2009）04-0001-04发动机舱散热的CFD 研究唐因放Tang Yinfang（东风柳州汽车有限公司，广西柳州545005）摘要：文中利用CFD 技术，采用汽车表面和发动机舱内部内、外流场耦合计算数值模拟方法，结合散热器和风扇的试验结果，对某型轿车处于不同工况下的发动机舱流场特性和温度场特性进行了研究，快速而准确地预测了发动机舱内的回流区和高温区的存在，为后续的优化设计提供了良好的指导方向。
CFD讲座.
⑵、结构设计上，为了获得散热器的最大散热能力，应保证风扇 出口截面与散热器之间的距离至少大于一个风扇HUB的直径。 但一旦超过一个风扇的外形直径后，对下游流场均匀程度的贡 献已经微乎其微。
⑶、如果在结构设计上，无法保证风扇出口截面与散热器间的距
离至少大于一个风扇HUB，则必须要在风扇与散热器间安装整
中国电子学会
二、仿真分析结果
⑴、风扇工作点随距离的变化关系
从上图可以看出，风扇的体积流量随风扇与散热器距离的增大而
增大，且体积流量的增大在距离为25～75mm之间尤为显著，即：在此
距离内，风扇的流量对距离非常敏感。
中国电子学会
⑵、散热器内流场的均匀程度
中国电子学会
中国电子学会
三、结论
⑴、风扇强迫冷却吹风时， 在冷却风扇出口下游处， 造成流场不均匀的主要因 素是风扇HUB的存在，其 次才是流体流经轴流风扇 后的旋转效应。
在出口边界BE上，
x
0
中国电子学会
二、使用边界条件时的注意事项
1. 边界条件的组合
在CFD计算域内的流动是由边界条件驱动的。从某种意义上说，求解 实际问题的过程，就是将边界上的数据外推扩展到计算域内部的过程。 因此，提供符合物理实际且适定的边界条件是极其重要的。CFD模拟过程 中迅速发散的一个最常见的原因就是边界条件选择的不合理。
计算流体及传热分析概述
1 计算流体动力学概述 2 计算流体动力学的工作步骤 3 计算流体动力学的分支 4 CFD的求解过程 5 CFD软件结构 6 边界条件的应用 7 CFD应用实例
中国电子学会
1 计算流体动力学概述
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动 和传热等相关物理现象的系统所做的分析。
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CFD散热基础知识介绍
人们对手机等电子产品的依赖程度越来越高，长时间用手机聊天、看影视剧、玩游戏，往往会导致手机迅速发热，而手机类电子产品发热温升超过10度，性能往往会下降50%以上，并且手机类电子产品发热严重会导致手机重启或者爆炸等意外事故的发生。
如何更好提升手机的散热性能并且预防上述意外事故的发生，需要借助CFD手段在手机类电子产品的研发阶段就“把好关”。
那么，CFD软件如何在手机类电子产品中产生作用？
1电子热设计基础理论
1热传递的方式
热量传递的基本规律是热量从高温区域向低温区域传递，热量的传递方式主要包括三种：传导、对流、辐射。
•传导
传导是由于动能从一个分子转移到另一个分子而引起的热传递。
传导可以在固体、液体或气体中发生，它是在不透明固体中发生传热的唯一形式。
对于电子设备，传导是一种非常重要的传热方式。
利用传导进行散热的方法有：增大接触面积，选择导热系数大的材料，缩短热流通路，提高接触面的表面质量，在接触面填导热脂或加导热垫，接触压力均匀等。
•对流
对流是固体表面和流体表面间传热的主要方式。
对流分为自由对流和强迫对流，是电子设备普遍采用的一种散热方式——所谓的自然对流是因为冷、热流体的密度差引起的流动，而强迫风冷是由外力迫使流体进行流动，更多是因为压力差而引起的流动。
产品设计中提到的风冷散热和水冷散热都属于对流散热方式。
影响对了换热的因素很多，主要包含：流态（层流/湍流）、流体本身的物理性质、换热面的因素（大小、粗糙程度、放置方向）等。
•辐射
辐射是在真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热体（辐射体）到冷体（吸收体）的转移。
提高辐射散热的方法有：提高冷体的黑度，增大辐射体与冷体之间的角系数，增大辐射面积等。
2增强散热的方式
电子产品的设计可以通过以下几种方式增强散热：
•增加有效散热面积：散热面积越大，热量被带走的越多
•增加强迫风冷的风速、增大物体表面的对流换热系数
•减小接触热阻：在芯片与散热器之间涂抹导热硅脂或者填充导热垫片，可有效减小接触面的接触热阻，这种方法在电子产品中最常见。
•破环固体表面的层流边界层，增加紊流度。
由于固体壁面的速度为0，在壁面形成流动的边界层，凹凸不规则的表面可以有效破坏壁面的层流边界，增强对流换热。
•减小热路的热阻：因为空气的导热系数比较小，狭小空间内的空气容易形成热阻塞，因此热阻较大。
如果在器件和机箱外壳间填充绝缘的导热垫片，则热阻势必降低，有利于其散热。
•增加壳体内外表面、散热器表面等的发射率：对于一个密闭的自然对流的电子机箱，当壳体内外表面氧化处理比不氧化处理时元件的温升平均下降10%。
3电子热设计中常用术语
•热阻：热量在传热路径上的阻力，即表示传递1W热量所引起的温升大小
•热沉：热量经传热路径达到的最终位置
•热耗：器件正常运行时产生的热量，热耗小于器件输入的功耗
•接触热阻：在实际的电子散热模拟中，由于两个壁面的接触只发生在某些点上，其余狭小空间均为空气，由于空气的导热系数较小，在此传热路径上会产生比较大的热阻
•流阻：反映系统流过某一通道或者某一系统时进出口所产生的静压差
•导热系数：表示物体的导热能力的物理参数，主要是指单位时间内，单位长度温度降低1度，单位面积导热传递的热量
•对流换热系数：表示单位时间内，单位面积差为1度时流体固体之间所传递的热量
2ANSYS在电子产品设计中应用
1电子封装的热设计
随着电子产品向高集成、高性能和多功能方向发展，芯片的I/O 线越来越多，芯片的速度越来越快，功率也越来越大高，从而导致了一系列诸如器件温度升高，功耗密度增大等问题。
利用CAE技术，可以对电子器件的性能进行预测，优化结构尺寸和工艺参数，进而提高产品质量、缩短产品开发周期、降低产品开发成本。
下文是CFD仿真技术在解决电子封装研发过程中部分常见工程问题的简要介绍：
•芯片封装内部温度分布分析
•芯片封装内热流路径分析
•芯片封装后JEDEC标准下各项热阻值仿真分析
•考虑芯片封装内布线、过孔、金线、不均匀热耗对温度结果影响
芯片封装在热设计中需要考虑不同结构的芯片封装传热性能，以及为板级或系统级的热分析提供芯片封装模型。
ICEPAK软件可以根据ECAD软件信息直接生成芯片的详细结构模型，便于工程师对芯片封装的温度分布预测及热优化设计。
2电子设备的热设计
电子设备是指由集成电路、晶体管、电子管等电子元器件组成，应用电子技术（包括）软件发挥作用的设备，如计算机/外设、工业电子设备、汽车电子设备、军用电子设备、便携式电子设备及新兴电子设备等。
在电子设备的研发过程中常涉及到散热、结构优化等多方面的工程问题。
随着现代CAE仿真技术的日趋成熟，企业完全可以将这种先进的研发手段与试验和经验相结合，形成互补，从而提升研发设计能力，有效指导新产品的研发设计，节省产品开发成本，缩短开发周期，从而大幅度提高企业的市场竞争力。
下文是CFD仿真技术在解决电子设备研发过程中部分常见工程问题的简要介绍：
•电子设备的散热分析，如电脑机箱的冷却系统分析
•电子设备的湿度分析，如机柜内部的潮湿分析
•电子设备内部及外部的空气流场分析，如机载电子设备的内部及外部流场分析电子设备冷却系统的优劣直接影响其在市场竞争中的成败。
ANSYS专业热分析软件ICEPAK及流体动力学分析软件FLUENT可以分析优化电子设备的内部布局，改善电子设备内部的冷却系统，降低因温升带来的不利影响。