Icepak在电信机柜热分析中的应用
黄冬梅
（北京海基科技发展有限责任公司 100086）
[摘要] 本文利用Icepak软件对某电信机柜进行了热设计。首先建立简化模型对整个系统进行了分析，然后又利用Icepak软件的特殊功能zoom-in对最危险的单板进行了细化，得到了元件的温度分布。从而证明了Icepak软件的可靠性和有效性。
关键词：电子产品 热设计 软件
1. 前言
随着电子技术水平的高速发展，提高电子产品性能和可靠性，减小体积和重量成了电子产品设计的主要方向。而温度问题是提高电子产品可靠性最重要的原因之一。一个好的热分析软件必将为我们节省时间和金钱。那么，Icepak软件正是您所需要的。Icepak软件是由Fluent公司和ICEM-CFD联合开发的。它的核心技术是Fluent5.5。它拥有Fluent软件优秀的网格技术、求解技术。是电子热分析软件市场的一枝奇葩。
通常电子工程师在使用CFD软件进行热分析时，最困惑的事情便是系统规模大时，求解时间较长，少则十几个小时，多则数日。他们的最大愿望便是提高工作效率。Icepak软件最新版本3.2.14专门提供给了用户auto-zoom-in的功能。这一功能能够帮助用户很方便地实现模型之间的转换，从系统级到任一区域的细化，如某块PCB板。从PCB板再细化到封装。当您在做zoom-in的时候，icepak会记录下您所取边界的详细信息，如压力、速度和温度。这样您可以在系统级简化建模，提取边界条件。从而保证部件级计算结果的准确性和精度。不同级别模型的简化计算会使您获得较高的工作效率，节省您的时间。解除了电子工程师使用软件最大的后顾之忧。
Icepak软件在电子热分析方面率先提出如下功能：object-based 建模功能；复杂几何模型处理功能；并行处理功能和参数化建模功能。Zoom-in的功能是Icepak又一个领先优势。您可以利用这一技术优势来提高您的工作效率。
本文就icepak软件在某电信机柜中的应用，阐述了该软件zoom-in功能的方便之处。
2. 某电信机柜热设计仿真
2.1 问题描述
该机柜底部宽218mm，顶部宽90mm。是一个下宽上窄的形状，上下各有14块PCB板。模型布局见图1。底部为进风口，中部和顶部为出风口。风扇架在机柜的中部，对下部和上部的PCB板同时起作用。下层的PCB板中共有70w、36w、28w和25w四类板子，分别插在不同的位置。PCB1，2，4，9，11，12为70w板子，PCB3，6，7，10为35w的板子，PCB5和PCB8为28w的板子，PCB13和PCB14为25w的板子。根据用户经验上层PCB板安全，只关心下层PCB板的温度情况。下层PCB板的布局、功耗、材料等信息较为详细。因此，我们在以下的分析结果中只给出对下层PCB板的情况。
欲通过CFD软件对该机柜进行热设计仿真，了解机柜中发热元件的温度情况。评估设计方案的和理性。
2.2 控制方程
Icepak软件在流动和传热问题上，求解三个控制方程：
a. 连续方程（质量守恒方程）：
b. 动量守恒方程（速度分布）：
c. 能量守恒方程（温度分布）：
2.3 湍流模型
Icepak主要提供了三种湍流模型：
a. 零方程湍流模型
b. 双方程湍流模型
c. RNG湍流模型
零方程湍流模型的粘度系数定义如下：
由于电子产品的特点是温升不能太高，一般采用零方程湍流模型也就可以了。当温升超过100C可以考虑另外两种方程。
2.4 模型建立
对该系统的分析采用两个级别：系统级和单板级。系统级分析的目的是评估插板位置、风扇架及进出口位置的合理性。建模时按整板发热考虑。单板级分析的目的是评估布板的合理性及元件是否满足设计要求。建模利用Icepak的zoom-in功能提取系统级的边界条件，细化最危险的单板。在利用zoom-in的时候，需要提取的是所关心区域六个面的温度、速度和压力。
3．计算结果
图2给出了该机柜下层PCB板系统级分析的温度分布。
每块PCB板的总功耗及最高温度见表1：
表1 下层PCB板总功耗及最高温度
| Pcb号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 功耗w | 70 | 70 | 35 | 70 | 28 | 35 | 35 |
| Tmax °C | 78 | 69 | 40 | 65 | 38 | 45 | 43 |
| Pcb号 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| 功耗w | 28 | 70 | 35 | 70 | 70 | 25 | 25 |
| Tmax °C | 34 | 65 | 43 | 65 | 67 | 38 | 55 |
由上表可见，70w pcb板中，第1块板子的温度最高，因此板级分析时它是重点。35w pcb 板中第6块板子温度最高。
下面以第6块板子为例，采用icepak提供的zoom-in功能，对单板进行分析。
我们取总体坐标系中，
x=161.5mm~201.5mm分别为pcb6的左右边界，
y=91mm~442mm分别为pcb6的上下边界，
z坐标分别为系统的前后边缘。
左右边界取系统级计算结果的压力P,温度T，三个方向的速度Vx, Vy, Vz,
下边界取系统级计算结果的速度和温度作为板级的速度入口，
上边界取压力和温度，作为板级分析的压力出口。
PCB6的边界条件见图3。
PCB6板级的计算结果见图4。
4. 小结
根据以上计算及用户的反馈意见，计算结果真实可靠。整个系统如果不简化，则需要300万以上网格。目前很少有微机能够解算。采用了zoom-in 的功能后，系统级只需网格数为18万，求解时间为30min。单板分别需要网格数为32万，求解时间为60min。求解计算机为CPU PIII450, 内存256M。也就是说普通的微机即可解决。由此可以得出如下结论：
该计算结果的精度满足设计要求，结果可靠。
Icepak软件提供的zoom-in功能，大大提高了工作效率。
5．参考资料
Icepak User’s Guide
Icepak training notes
Icepak资料下载: FLUENT第一届中国用户大会论文集33-40.pdf
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