Flotherm IGBT液冷仿真实例

在电子产品设计过程中,随着功率密度越来越高,传统的风冷越来越不足以帮助电子产品散热,这个时候就需要用到液冷系统来帮助电子产品散热了。本例以一液冷IGBT模型为例,介绍如何在Flotherm中进行多流体的液冷仿真。

问题描述

该IGBT模型如下图所示,共有四个IGBT模块,每个损耗为700W,总共2800W的损耗。工作于55度的环境温度中,20度的水以0.2m/s的速度从液冷板的左边流入,冷却IGBT模块后,再从液冷板的右则流出。

Flotherm IGBT液冷仿真实例

模型尺寸

  • 外观尺寸
Flotherm IGBT液冷仿真实例尺寸图
  • 液冷板内部尺寸如下,液冷板整体高度为40mm,上下板厚皆为5mm。
Flotherm IGBT液冷仿真实例液冷板图

模型创建

液冷板模型比较简单,可以通过3D软件先建立三维模型,再通过FloMCAD导入,也可以通过Flotherm智能零件自行创建,这里就不细讲了,具体尺寸参考前面的模型尺寸图。值得一提的是,由于Flotherm中不支持圆形孔,这里需要将直径为20mm的圆形进出水孔简化为了边长为17.7mm的正方形进出水孔, 这是为了保证简化前后面积一致。简化后的液冷板模型如下图所示。液冷板材料为AL6061,可以从材料库里直接选择。

Flotherm IGBT液冷仿真实例液冷板图

液冷板与IGBT模块间采用导热油,因此,设置液冷板表面固体接触热为0.02  C in^2/W,如下图所示。

Flotherm thermal grease设置

IGBT模块创建

IGBT模块简化后如下图所示,底层简化为一长方形铜块,铜块上面为一大三小四个方块,热传导率设置为5W/mK。

Flotherm IGBT简化

铜块与其上面的大方块间设置一损耗为700W的Collapsed Sourse,如下图所示。同时可以将IGBT模块的温度监控点设置在铜块上。

Flotherm IGBT  损耗

液冷设置

在Flotherm中,求解域内的流体通过Model Setup设置,但是对于液冷产品来说,通常不可能将整个求解域内部的流体设置为液体,而是只能将求解域内部分区域设置为为液体,即将液体真正需要流过的空间中的流体设置为液体,其它区域仍然为空气。比如在此IGBT实例中,只能将液冷板内部流体设置为液体。要实现此功能说来复杂,实则很简单,仅需要在相应的区域建立Region智能零件,然后为此Region智能零件赋予相应的流体即可。
回到本例中,需要创建三个Region,即进水口区域,水冷板内部,以及出水口。如下图所示。

Flotherm 液冷Region

本例中所使用的为20摄氏度的水,流体设置如下。

Flotherm液冷流体设置

Fixed Flow设置

在本例中,流体以0.2m/s的速度流入,因此,需要在进水口处设置一Fixed Flox,以驱动流体流动, fixed flow设置如下。

Flotherm fixed液冷设置

求解域设置

在Flotherm多流体仿真中,最重要的一点就是多流体之间不能互相接触,否则软件会报错“ERROR E/9016 - Different Fluids adjacent and not separated by solid at X directed cell face (X = 1.008e+000 ,Y = 5.573e-001 ,Z = 1.147e-001)”,流体与流体之间必需以实体隔开。本例中,由于没有画进出水管,因此,需要将求解域紧贴进出水口,如下图所示。到于其它四个面的求解域大小,则可以按自然冷却来设置。

Flotherm液冷求解域设置

网格划分

对于多流体仿真来说,网格划分与普通的项目一样,没有什么特别的,这里就不再多讲。

Flotherm液冷网格划分

求解

如果网格划分好后,就像普通的项目一样直接开始求解,通常就会发现液冷项目很难收敛,即使温度监控点很稳定,如下图所示,通常表现为温度容易收敛,但是压力和速度场很难收敛。

Flotherm液冷求解

这是因为Flotherm中的求解收敛条件的设置是空气为基础设置的,不适合于液冷的情况。

Flotherm自动收敛条件

Flotherm默认的收敛标准如下:

  • 压力场残差: 0.5% M,M为软件估计的流体质量
  • 速度场残差:0.5% MV, M同样为软件估计的流体质量,V为估计的流体速度
  • 温度场残差: 0.5%Q, Q为发热元件的损耗

从上面的三个收敛条件中我们可以看出,如果按照软件默认的以空气来估计流体质量,则在进行液冷仿真时,压力场残差的收敛标准 0.5% M会变得十分严格,造成收敛困难。这是因为液体的密度比空气要高的多,比如水的密度通常为空气的1000倍。同样的,速度场残差的收敛标准0.5% MV也会变得十分严格。这也是为什么很多朋友在做液冷仿真时,抱怨不收敛的原因所在。

Fltherm手动设置收敛条件

上面我们分析了由于液体的密度比空气高很多,造成在液冷产品仿真很难收敛。那么,怎么做才能让Flotherm液冷产品收敛呢?答案就是手动设置收敛条件。

  • 收敛放宽倍数计算:在手动设置收敛条件前,需要知道液体与空气的密度的倍数,本例中所使用的水的密度为1000kg/m^3,而50度时,空气的密度为1.0785,1000/1.0785=927,因此。收敛放宽倍数为927。
  • 在Solver Control设置栏中,选择压力场变量Pressure,记下其自动收敛条件值,如下图所示。
Flotherm液冷手动设置收敛参数
  • 将收敛条件设置从Automatic修改为User Specifed,然后设置其值为上一步记下的自动收敛条件值乘以收敛放宽倍数,本例中为3.378833e-07X927=0.0003132,如下图所示。
Flotherm液冷手动设置收敛参数
  • 同理设置X,Y,Z三个方向的速度收敛标准。

重新求解

手动设置收敛条件后,再重新求解,可以发现已经无论是Pressure还是X velocity, Y velocity ,Z velocity,都已经比较容易收敛了,不到140步就可以使残差降到10以下,温度在+/-0.5度以内波动,如下图所示。

Flotherm水冷求解收敛

 

结果查看

  • 温度场
Flotherm水冷温度场结果
  • 水冷速度场
Flotherm水冷速度场

结果验算

根据水的比热公式C=Q/(m*detlaT),我们可以简单的计算出水在流过液冷板过后的温升。

  • deltaT=2800W/(0.2m/s*0.017m*0.017m*1000*kg/m^3*4217J/(kgK))=11.48 deg C。

而从求解结果中查看进出水口Region的平均温度来看,温升与上魔述公式计算的结果是十分相近的,从这点来看,我们可以认为,求解结果是可售的。


结论

在利用Flotherm进行水冷分析的过程中,可以利用Region智能零件设置多流体,但是切记流体与流体之间不能直接接触。同时,不能使用默认的收敛标准,一定要手动设置收敛标准。在手动收敛标准时,不要盲目相信网上的一些资料讲的放宽1000倍,对水冷等产品来说,1000可能比较合理。但就笔者的仿真经验来说,对于油冷或者其它密度的液冷仿真,盲目放宽1000倍会造成比较大的仿真误差。同时,切记不可放宽温度场,否则也有可能造成比较大的仿真误差。

评论

Flotherm做这些圆Pin的热分析准确吗?老师觉得有没有必要使用IcePak来做啊,刚入门热仿真,看了一些教材,觉得IcePak的功能要强大的多。

@楼上的访客 个人认为对于普通的圆Pin,Flotherm的分析结果已经足够准确。对于外形确实比较复杂的产品,使用IcePak或许会有一些优势。但是就本人的工作经验来看,Flotherm的可用性要强的多,如果习惯了Flotherm的操作,也可以花点时间熟悉一下Flotherm XT,XT可以直接处理复杂的曲面。或许过几天笔者可以就此水冷实例比较一下Flotherm, Flotherm XT和IcePak的仿真结果。

求问速度场怎么才能显示出例子里的那个效果啊?

求三维图,画不出来。

@ABC 速度场使用的是对数显示。

每次仿真的时候网格的精细不一样,结果都不一样,那网格到底怎么选用什么样的精细度计算的结果才能与实际相近?

每次仿真的时候网格的精细不一样,结果都不一样,那网格到底怎么选用什么样的精细度计算的结果才能与实际相近?

@王鹤 遇到这种情况,应该做网格的独立性验证。可以查看本站的一篇关于散热器网格独立性研究的文章,从中你可以看到,在逐渐加密网格的过程中,结果会趋于稳定,从而与网格无关的。

老师好,我现在比较困惑,一直一个元件发热量,怎么选择风扇的风量,尺寸等参数,散热器的截长,宽度等参数?

@王鹤 这个根据条件做一个简单的仿真就可以啊?如果你想找到最优解,那就使用Command Center来进行优化设计即可。

请问老师,对于一些电子产品需要灌封胶,灌封胶这块怎么建模进行仿真?

老師,請問上面的壓力場殘差E_p=0.005M (M=rho*EFCV*A)中指的rho是否model setup中的設定Fluid,照理說是空氣 但是實際做雙流場的時候water region中的流體是水,密度大造成實際pressure residuals error R_p也大,所以要滿足R_p/E_p<1的條件非常困難,是個意思嗎?

您好,能不能把案例文件发上来,我想建模每个人花点时间都会,难的是设置,我实际仿真的需要1000多步才能收敛。

对于一些具有弧形曲面流道的液冷板有没有好的办法处理?用flotherm算的往往阻力很大,我理解主要是流道建模失真导致的,请老师赐教,谢谢!

@sayid, Flotherm是一个热仿真软件,不是流体仿真软件,而且对弧形曲面流道的支持不是很好,建议使用Fluent,Floefd或者其它的流体仿真软件吧。