戶外通信機(jī)柜熱仿真分析案例戶外通信機(jī)柜廣泛應(yīng)用于電力和通訊系統(tǒng)，其內(nèi)部裝有工作模組、蓄電池等設(shè)備。由于機(jī)柜直接暴露于自然環(huán)境中受太陽輻射，加之機(jī)柜內(nèi)部各元件工作產(chǎn)生熱量，容易造成柜內(nèi)溫度過高，影響系統(tǒng)的可靠性。因此，熱設(shè)計(jì)是戶外通信機(jī)柜設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。數(shù)值仿真技術(shù)為復(fù)雜電子設(shè)備的散熱性能評(píng)估提供了全新的手段，可有效加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程、降低成本。本案例使用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電子散熱軟件Simetherm對(duì)某戶外通信機(jī)柜進(jìn)行熱仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。戶外通信機(jī)柜在熱設(shè)計(jì)時(shí)須同時(shí)考慮兩點(diǎn)：一是內(nèi)部器件的發(fā)熱量是否可以通過合理的路徑散出；二是機(jī)柜是否有良好的隔熱性能，在受太陽輻射與周圍高溫環(huán)境影響時(shí)避免過多的熱量導(dǎo)入。本案例通過Simetherm建模仿真獲取機(jī)柜內(nèi)部的流場及溫度分布，考察關(guān)鍵組件的溫升是否符合設(shè)計(jì)要求（注：風(fēng)扇入口處溫度不超過65℃）；同時(shí)，針對(duì)以上兩點(diǎn)考量對(duì)機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化后，通過仿真評(píng)估結(jié)構(gòu)改變對(duì)結(jié)果的影響。Simetherm提供了立方體、機(jī)箱、PCB板、流動(dòng)阻尼、體積熱源、風(fēng)扇等智能建模宏（FlexPart），支持搭積木式的快速建模，并對(duì)模型中的組件賦值材料、熱屬性等信息。本案例采用以下幾種方案對(duì)戶外通信機(jī)柜進(jìn)行建模：方案1（基線）：原結(jié)構(gòu)，包含外殼、柜門、柜頂以及內(nèi)部的電池、支架隔板、風(fēng)扇和工作模組。各部件的材料、發(fā)熱量等屬性列于下表：注：由于工作模組包含多塊擋板、PCB板及之上的電阻、電容、電感等元件，如果將這些部件全部詳細(xì)建模求解將耗費(fèi)較長時(shí)間，因此參考文獻(xiàn)[1]中的處理方式，只保留擋板和PCB板的幾何構(gòu)體，而將PCB板上其他元件的產(chǎn)熱量用體熱源來替代、對(duì)流動(dòng)的影響用流動(dòng)阻尼來替代。模型結(jié)構(gòu)如下圖所示：

方案2：在方案1的基礎(chǔ)上增加換熱器。換熱器一側(cè)緊貼柜門，上布兩個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，通過擋板設(shè)置流道，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部空氣的對(duì)流；換熱器在模型中的位置結(jié)構(gòu)如下圖紅色區(qū)域所示：

方案3：如下圖所示，在方案2（左）的基礎(chǔ)上，方案3（右）將風(fēng)扇更加靠近工作模組。

方案4：在方案2的基礎(chǔ)上，在機(jī)柜頂部增加隔熱泡棉，如下圖紅色位置所示。泡棉采用聚四氟乙烯塑料（PTFE），導(dǎo)熱系數(shù)低（0.25W/(m·K)），可有效起到隔熱作用。方案5：在方案2的基礎(chǔ)上，機(jī)柜頂部加涂隔熱漆。假設(shè)隔熱漆可將柜頂表面對(duì)太陽輻射的吸收率從1降至0.1。以上各方案均在風(fēng)扇入口處和工作單元上部正中設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，分別命名為FanInlet和EnclosureTop，用于判斷工作溫度是否符合設(shè)計(jì)要求。案例考慮較極端的環(huán)境情況，假設(shè)環(huán)境溫度為45℃，關(guān)于太陽輻射的設(shè)置可參考下圖，Simetherm會(huì)根據(jù)設(shè)置的地理位置和時(shí)刻自動(dòng)計(jì)算出太陽輻射角度和輻射強(qiáng)度。

Simetherm提供了豐富的結(jié)果可視化和后處理工具，以方案2為例，機(jī)柜中心切面處的溫度切片、流線圖展示如下。各方案計(jì)算結(jié)果，監(jiān)控點(diǎn)溫度匯總?cè)缦拢焊鞣桨赣?jì)算結(jié)果，監(jiān)控點(diǎn)溫度匯總?cè)缦拢海?）設(shè)計(jì)要求機(jī)柜內(nèi)部風(fēng)扇入口的溫度不應(yīng)超過65℃，如果不加換熱裝置（方案1）僅靠內(nèi)部風(fēng)扇無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此需要加入換熱器，增強(qiáng)機(jī)箱內(nèi)部空氣對(duì)流，提高散熱效率，加入散熱器后（方案2），可以達(dá)到要求的設(shè)計(jì)溫度；（2）減小風(fēng)扇與工作模組的距離（方案3相比方案2）對(duì)溫度控制改善不明顯，初步判斷是由于在方案2中風(fēng)扇與工作模組的距離本身已較近且其間無其他器件遮擋，風(fēng)壓損失并非是影響模組散熱的主要因素；（3）方案4在機(jī)柜頂部增加了隔熱泡棉，方案5在柜頂加涂隔熱漆。兩方案相比方案2改善均不大，說明本案例中工作模組的溫控挑戰(zhàn)主要源于自發(fā)熱量的散出，太陽輻射對(duì)關(guān)鍵元器件的溫升影響較??；（4）下圖展示了方案2（左）和方案5（右）機(jī)柜頂部的溫度云圖，可以看出，加涂隔熱漆雖然無法對(duì)內(nèi)部元器件的工作溫度產(chǎn)生明顯影響，但卻可顯著降低機(jī)柜頂部本身的溫度。本案例使用自主電子散熱軟件Simetherm對(duì)戶外通信機(jī)柜進(jìn)行了熱仿真，軟件支持模塊化、參數(shù)化建模以及屬性設(shè)置，可快速建立仿真模型。同時(shí)支持不同求解條件設(shè)置、計(jì)算和后處理?？勺鳛閷I(yè)、高效的CAE軟件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，降低研發(fā)成本。對(duì)戶外機(jī)柜的仿真結(jié)果顯示，加入換熱器可大幅降低機(jī)柜內(nèi)溫度，確保元件的工作溫度不超過設(shè)計(jì)要求，而改變風(fēng)扇位置、加裝隔熱棉等方案對(duì)結(jié)果改善不大；機(jī)柜頂部加涂隔熱漆雖然同樣無法有效降低機(jī)柜內(nèi)部溫度，但卻可以減小太陽輻射吸收率，從而使柜頂本身的溫度降低。關(guān)于Simdroid電子散熱模塊Simdroid電子散熱模塊是一款針對(duì)電子器件和設(shè)備的專用熱仿真軟件，由北京云道智造科技有限公司獨(dú)立開發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。軟件內(nèi)置電子產(chǎn)品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子系統(tǒng)的熱分析模型，并利用成熟穩(wěn)定的算法計(jì)算流動(dòng)與傳熱問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子系統(tǒng)的熱可靠性分析。電子散熱分析模塊可成熟應(yīng)用在通訊制造業(yè)、電子元件制造業(yè)、軍工以及航空航天等工業(yè)中。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，工程師能夠以更加智能的方式創(chuàng)建仿真模型，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速評(píng)估，識(shí)別潛在設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。電子散熱模塊的前處理功能具備電子設(shè)備的智能原件模型（包括：立方體、斜面、平面流動(dòng)阻尼、平面（可建孔）、機(jī)箱/薄壁機(jī)箱、熱源、孔、組合體、平面熱源、圓柱體、電路板、軸流風(fēng)扇、棱柱、芯片、平面風(fēng)扇、管道、散熱器、開口流動(dòng)、離心風(fēng)扇、流動(dòng)阻尼、鼓風(fēng)機(jī)、空調(diào)、半導(dǎo)體制冷器、平面區(qū)域、回風(fēng)面、監(jiān)控點(diǎn)、多孔板、出風(fēng)面、體積區(qū)域、雙熱阻封裝模型、熱網(wǎng)絡(luò)模型），能夠快速準(zhǔn)確地完成各種電子散熱場景的建模。同時(shí)，前處理具備基礎(chǔ)幾何模型、典型電子器件模型、以及基于元件熱源特性和阻尼特性的簡化模型，用戶可在CAD模型上添加熱源和熱邊界，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)備中的流動(dòng)傳熱分析。軟件具備主流CAD軟件生成的復(fù)雜幾何模型導(dǎo)入接口，可利用ECXML文件導(dǎo)入FloTHERM或Icepak軟件的幾何數(shù)據(jù)。電子散熱模塊具備非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格剖分功能，支持?jǐn)?shù)億量級(jí)網(wǎng)格單元數(shù)量。軟件能夠采用非連續(xù)的多面體網(wǎng)格剖分技術(shù)實(shí)現(xiàn)cutcell網(wǎng)格；支持局部加密網(wǎng)格和設(shè)置邊界層網(wǎng)格；具備半自動(dòng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別并調(diào)整固體邊界網(wǎng)格密度；支持網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)與網(wǎng)格質(zhì)量檢測。

電子散熱模塊具備層流與湍流求解功能，湍流模型具備k-e、k-omega（SST）、增強(qiáng)型與代數(shù)湍流模型，可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)散熱分析。軟件能夠計(jì)算熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流、液冷與強(qiáng)迫風(fēng)冷、熱輻射與太陽輻射問題，可處理多種不同材料的固體間熱傳導(dǎo)；求解器可支持自動(dòng)添加初始場，具備物理量監(jiān)測點(diǎn)、檢測區(qū)域與計(jì)算控制等通用的求解參數(shù)設(shè)置。

電子散熱模塊具備物理量的切片、云圖、等值面、流線形式的可視化后處理功能，可統(tǒng)計(jì)所有元件的溫度、傳熱量和流量數(shù)據(jù)；支持所有智能模型的溫度、導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射