ANSYS Discovery Live软件简介

ANSYS Discovery Live 是一款革命性的仿真工具产品。它消除了传统仿真工具在可用性和速度方面的阻碍，以三维设计探索的新模式让每一位工程师都能实现即时仿真。这款产品致力于消除繁琐的仿真准备，使设计者能够在概念设计阶段，通过简洁的设置完成工程仿真。借助Ansys Discovery，工程师能更得心应手地通过实时物理仿真来完善物理概念，获得初期想法，并专注于设计流程的改善和验证。

前言

随着科学技术的发展，电子设备的性能不断提高，其功率也在不断增加，对应电子设备产生的热量也相应增多。例如，某些高性能游戏显卡的功率可以达到 300 - 400瓦甚至更高。此时，就需要更高效的散热器来满足散热需求。

本案例展示了如何使用Ansys Discovery对CPU散热器进行热分析。Discovery快速仿真功能可以实时测试和改进散热器的设计，并评估所选冷却系统的有效性。

在这个案例研究中，对于图1中显示的组件，在 Ansys Discovery 中对热生成、传导和对流进行建模，以研究两个 CPU 在不同工作条件下的温度，并探索它们如何保持最高温度在 80°C 以下。

图1 散热器模型

一、仿真设定

1. 材料分配。将硅分配给两个 CPU，将Aluminum alloy 6061（热传导155 W/m·°C） 分配给散热器。
2. 功耗设定。在两个 CPU 的底面分别设置功耗值为 50 W（高强度工作状态）。
3. 对流设定。在其余表面上添加对流热传递，热传递系数（h）值为 10 W/m²·°C 和周围流体温度为 22 °C。

一旦模型设置完成，可以在 Ansys Discovery 中快速运行仿真。

图2 仿真设定

图3 仿真结果（Aluminum alloy 6061，最高温度310°C）

仿真结果显示计算出的最高温度达到 301 °C，可能导致组件损坏。在接下来的部分中，将探索各种替代方案，以将温度降低到临界水平80 °C以下。可以考虑三种不同的策略来降低 CPU 的温度：改变材料、改变几何形状和改变散热器工作环境。

• 工况1：改变材料

将散热器材料更改为高导热铜（394 W/m·°C），结果显示最高温度为286°C，降低了 15 °C，虽然这是正确的方向，但考虑铜（6.6 USD/kg）比铝（2.17 USD/kg）更昂贵，从成本考虑，可能这不是一个最优参考。

图4 仿真结果（高导热铜，最高温度286°C）

• 工况2：改变几何形状

另一个可能的解决方案是增加散热器的对流表面积。为了测试这一点，散热器的翅片高度增加了 5mm，导致温度进一步降低了 22 °C，最高温度为 279°C，仍然远超过 80 °C 的阈值。继续增加散热器的表面积，虽然理论上会进一步降低温度，但实际上因为每一代新型电子设备都需要更轻、更薄的组件，该方向改进也会受到限制。当然，有兴趣的话，可以探索一些增加表面积与体积比的更有创意的散热器几何形状。

图5 仿真结果（翅片高度增加5mm，Aluminum alloy 6061，最高温度279°C）

• 工况3：改变散热器工作环境

改变散热器外部工作环境，可以通过审查原始仿真中建立的边界条件来研究。散热器功耗的热生成不能改变，但散热器经历的对流可以改变。对流边界由热传递系数和周围流体温度确定，本例中考虑流体温度固定，改变热传递系数，即考虑从空气对流改变成强制对流。强制对流可以通过在电子设备中增加风扇来实现。本例中考虑把热传递系数从 10 提高到 100 W/m²·°C，仿真结果显示最高温度为 70 °C。

图6 仿真结果（对流系数100 W/m²·°C，Aluminum alloy 6061，最高温度70°C）

• 进一步探索

对流边界条件假设环境空气温度在所有位置都是相同的，使所有表面均匀散发热量。当引入强制对流到模型中时，需要重新评估在边界条件设置中做出的假设。由于风扇引起空气流动，当空气穿过散热器时，吸收热量，整体空气温度升高，这将降低散热器和空气之间的温度梯度，从而降低空气继续吸收热量的能力。因此，考虑强制对流时，两个 CPU 将具有不同的温度。

在 Ansys Discovery 中，可以执行对流热传递 (共轭传热) 仿真来模拟空气流动和流体/固体界面上的热交换。如下图7所示，首先建立外流场域（材料是空气）。其次，分别添加入口和出口，速度为 1 m/s，压力为 0，以提供流体流动的方向性。

图7 共轭传热分析设定

在求解模型之前，可以提高我们模型的保真度（即减小网格大小），以确保可以捕获流体-固体界面。完成这些后，可以求解仿真并通过各种输出可视化功能观察流体流动，包括图中所示的粒子动画。有了共轭传热仿真，可以捕获两个 CPU 的温度差异，如图所示。

图8 仿真结果（风速1m/s，粒子流动速度结果）

图9 仿真结果（风速1m/s，CPU温度结果，最高温度164°C）

图10 仿真结果（风速9m/s，CPU温度结果，最高温度74.6°C）

仿真结果显示，1 m/s 的空气流动不足以将两个 CPU 的温度降低到可接受的最高温度 80 ◦C 以下，因此需要更高的气流速度。这可以通过手动更改入口速度边界条件并多次运行仿真来探索。使用 Ansys Discovery 参数分析功能，可以自动测试多个仿真参数工况下结果，并将结果绘制在图表中。该案例中，把空气流动速度设置为参数，并设定4组参数，更新结果，如下图所示，参数分析结果显示，至少需要 9 m/s 的流速才能将 CPU 的温度降低到临界阈值 80 °C 以下。

图11 参数化仿真结果图表

总结

本案例通过 Ansys Discovery热仿真功能分析了材料和几何形状对散热器性能的影响。更改材料和几何形状对散热器性能有所改善，但受成本和空间影响，这些改进程度有限。最终确定，需要在散热器区域进行强制对流以确保安全的温度范围。为正确捕获由流体流动的方向性在组件中产生的不均匀温度梯度，采用了共轭传热分析对散热器进行仿真，并展示了如何使用参数仿真来确定流体流速的范围，从而为风扇选择提供参考。进一步，读者如有兴趣，也可研究散热流体、风扇的位置（即流体的入口）、散热器拓扑几何改变如何影响散热器的冷却。

测试过程表明，Ansys Discovery软件提供了一个易于使用的界面，简化了散热器设计流程，仿真过程无需划分网格，所见即所得，让仿真技术在从初学者到专家的所有用户群体中更加普及化。这将使客户能够快速探索散热器概念设计，并加速交付创新型解决方案。