COMSOL案例零基础讲解：建模+计算+分析一网打尽！

电子元件在日常生活中随处可见。随着电子技术的不断发展，电子元件的集成度越来越高，人们对电子元件的性能要求也越来越高，为了达到这些要求，电子元件所需要的功率就会相应地增大。在电子元件工作时，一定会产生热量，这些热量如果不能及时地散发出去，就会在电子元件附近造成较高的温度区域，当电子元件处在高温下，其性能就会下降，而且如果热量长时间得不到散去，最终将会导致电子元件由于高温影响而烧毁。

下面还是通过案例分析，进一步熟悉COMSOL操作。

首先对电子元件机箱长方体区域附近散热进行数值分析，再以电子元件为热源，分别对正常状态和满载状态进行仿真分析。

建模与仿真

整个计算域为长方体区域，整体模型尺寸为80×3×15 (mm)，矩形区域中设置有散热器，下面与显卡电子元件连接，右边为进风口，左边为出风口。

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控制方程

在COMSOL Multiphysics 中设置多物理场耦合模块非等温流动来进行耦合计算，假设传递过程是稳态，空气流动状态为层流，空气、散热器与电子元件之间的热传递为流体和固体传热。

（1）连续性方程又称质量方程

u，v，w—流体在 x，y，z 方向上的速度分量，m/s。

（2）动量方程

Ui—i 方向上的速度分量，m/s；xi—坐标；p—流体密度，kg/m3；μ—动力黏度， kg/m·s。

（3）能量方程

T—温度，K；α—流体热扩散率， m2/s。

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边界条件与初始值

层流模块中进风口边界条件设为速度条件，速度设置为 10，15，20，25，30，35 cm/s 六个梯度，出风口边界条件设为压力条件，出口相对压力为 0 MPa，其他壁条件均设为无滑移壁条件；传热模块中长方体区域设置环境温度为 20 ℃，进风口温度为环境温度 20 ℃，其他壁面设置为热绝缘边界，热源为电子元件，设置其正常状态发热功率为 1 W，满载状态下发热功率为 2 W。

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材料属性

长方体散热计算区域材料设置为空气，电子元件材料设置为硅，散热器材料分别设置两种材料对比计算，第 1 次仿真计算时设置散热器材料为铜，保存此次计算结果，第 2 次仿真计算时设置散热器材料为铝，其他计算域材料不变，同样保存此次结果。材料参数均可在COMSOL Multiphysics 中材料库进行添加，其材料属性如表 1 所示。

表 1 材料属性

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网格划分

在 COMSOL Multiphysics 中利用其自带的网格模块对整体模型进行网格划分，网格类型选择四面体网格，单元大小选择常规，使用网格贡献选择流体模型。如图 2 所示为散热模型网格图。

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求解

研究采用稳态求解，求解器选择 PARDISO求解器，求解容差设置为 0.001，求解结果包括速度场和温度场。采用参数化求解来对比不同参数下的结果，对进风口速度进行参数化求解，可在一次计算中得到不同进风口速度下的计算结果，最后稳态求解所有物理场进行全耦合计算得到结果。

表 2 长方体区域最高温度

结论

运用COMSOL Multiphysics中CFD模块中的非等温模块对长方体机箱中电子元件散热进行数值分析，通过耦合层流和传热模块进行仿真分析，电子元件作为恒定热源，空气作为冷却介质，仿真模拟长方体机箱中的温度场和速度场，仿真分析不同的入口速度对机箱中散热的影响，以及不同材料的散热器对其散热的影响。使用稳态求解器得到了长方体机箱中等温线分布以及速度场分布。

以上就是案例模拟的重点部分啦，你学会了吗？

本文来源公众号：comsol仿真交流