COMSOL案例零基礎(chǔ)講解：建模+計算+分析一網(wǎng)打盡！

電子元件在日常生活中隨處可見。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子元件的集成度越來越高，人們對電子元件的性能要求也越來越高，為了達到這些要求，電子元件所需要的功率就會相應(yīng)地增大。在電子元件工作時，一定會產(chǎn)生熱量，這些熱量如果不能及時地散發(fā)出去，就會在電子元件附近造成較高的溫度區(qū)域，當(dāng)電子元件處在高溫下，其性能就會下降，而且如果熱量長時間得不到散去，最終將會導(dǎo)致電子元件由于高溫影響而燒毀。

下面還是通過案例分析，進一步熟悉COMSOL操作。

首先對電子元件機箱長方體區(qū)域附近散熱進行數(shù)值分析，再以電子元件為熱源，分別對正常狀態(tài)和滿載狀態(tài)進行仿真分析。

建模與仿真

整個計算域為長方體區(qū)域，整體模型尺寸為80×3×15 (mm)，矩形區(qū)域中設(shè)置有散熱器，下面與顯卡電子元件連接，右邊為進風(fēng)口，左邊為出風(fēng)口。

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控制方程

在COMSOL Multiphysics 中設(shè)置多物理場耦合模塊非等溫流動來進行耦合計算，假設(shè)傳遞過程是穩(wěn)態(tài)，空氣流動狀態(tài)為層流，空氣、散熱器與電子元件之間的熱傳遞為流體和固體傳熱。

（1）連續(xù)性方程又稱質(zhì)量方程

u，v，w—流體在 x，y，z 方向上的速度分量，m/s。

（2）動量方程

Ui—i 方向上的速度分量，m/s；xi—坐標(biāo)；p—流體密度，kg/m3；μ—動力黏度， kg/m·s。

（3）能量方程

T—溫度，K；α—流體熱擴散率， m2/s。

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邊界條件與初始值

層流模塊中進風(fēng)口邊界條件設(shè)為速度條件，速度設(shè)置為 10，15，20，25，30，35 cm/s 六個梯度，出風(fēng)口邊界條件設(shè)為壓力條件，出口相對壓力為 0 MPa，其他壁條件均設(shè)為無滑移壁條件；傳熱模塊中長方體區(qū)域設(shè)置環(huán)境溫度為 20 ℃，進風(fēng)口溫度為環(huán)境溫度 20 ℃，其他壁面設(shè)置為熱絕緣邊界，熱源為電子元件，設(shè)置其正常狀態(tài)發(fā)熱功率為 1 W，滿載狀態(tài)下發(fā)熱功率為 2 W。

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材料屬性

長方體散熱計算區(qū)域材料設(shè)置為空氣，電子元件材料設(shè)置為硅，散熱器材料分別設(shè)置兩種材料對比計算，第 1 次仿真計算時設(shè)置散熱器材料為銅，保存此次計算結(jié)果，第 2 次仿真計算時設(shè)置散熱器材料為鋁，其他計算域材料不變，同樣保存此次結(jié)果。材料參數(shù)均可在COMSOL Multiphysics 中材料庫進行添加，其材料屬性如表 1 所示。

表 1 材料屬性

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網(wǎng)格劃分

在 COMSOL Multiphysics 中利用其自帶的網(wǎng)格模塊對整體模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選擇四面體網(wǎng)格，單元大小選擇常規(guī)，使用網(wǎng)格貢獻選擇流體模型。如圖 2 所示為散熱模型網(wǎng)格圖。

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求解

研究采用穩(wěn)態(tài)求解，求解器選擇 PARDISO求解器，求解容差設(shè)置為 0.001，求解結(jié)果包括速度場和溫度場。采用參數(shù)化求解來對比不同參數(shù)下的結(jié)果，對進風(fēng)口速度進行參數(shù)化求解，可在一次計算中得到不同進風(fēng)口速度下的計算結(jié)果，最后穩(wěn)態(tài)求解所有物理場進行全耦合計算得到結(jié)果。

表 2 長方體區(qū)域最高溫度

結(jié)論

運用COMSOL Multiphysics中CFD模塊中的非等溫模塊對長方體機箱中電子元件散熱進行數(shù)值分析，通過耦合層流和傳熱模塊進行仿真分析，電子元件作為恒定熱源，空氣作為冷卻介質(zhì)，仿真模擬長方體機箱中的溫度場和速度場，仿真分析不同的入口速度對機箱中散熱的影響，以及不同材料的散熱器對其散熱的影響。使用穩(wěn)態(tài)求解器得到了長方體機箱中等溫線分布以及速度場分布。

以上就是案例模擬的重點部分啦，你學(xué)會了嗎？

本文來源公眾號：comsol仿真交流