电子设备设计中，散热性能直接影响产品稳定性与使用寿命，风冷散热因成本低、结构简单被广泛应用。ICEPAK作为专业热仿真工具，能精准模拟风冷系统的热传递与流体流动特性。下面结合2U标准上架机箱案例，详细拆解运用ICEPAK进行风冷散热分析的完整流程，为工程设计提供实操指南。

一、热仿真目标与基础信息明确

开展ICEPAK风冷散热分析前，需先明确核心目标与基础参数，为后续仿真工作奠定基础。

（一）核心仿真目标

验证给定环境条件下，芯片结点温度是否满足设计要求，同时评估风机选型的合理性，确保设备在长期运行中不会因过热导致性能衰减或故障。

（二）基础信息梳理

本例以2U标准上架机箱为分析对象，采用前进风后出风的气流组织形式，核心基础信息如下：

几何模型：提供3D模型STP格式文件；

材料属性：盒体材料为铝合金，ICEPAK默认材料为Al-Extruded，无需额外修改；

热功耗参数：芯片1热耗5W，芯片2热耗2W，电源热耗6W；

环境条件：环境温度30℃，为稳态强迫对流分析场景；

关键组件：包含电源、两个散热模块（内置PCB板、芯片）、多孔板、风扇等。

二、热仿真模型建立：从导入到简化

模型建立是仿真的核心环节，需将CAD模型转化为ICEPAK认可的几何体，关键在于合理简化与对象类型定义，步骤如下：

（一）模型导入与预处理

打开ANSYSWorkbench平台，通过几何结构单元导入STP格式模型，右键选择用DesignModeler打开并点击生成；

预处理优化：在三维软件中提前处理模型，规避ICEPAK在组件位置调节、自动对齐等方面的操作局限；

显示兼容性检查：点击菜单栏“工具——电子——显示CAD几何体”，识别不被ICEPAK认可的几何体，便于后续针对性处理。

（二）关键组件处理与简化

多孔板创建：采用“边表面建立面替换”方式，先通过“概念——边表面”建立面，再将其替换为多孔板，本例多孔板开孔率经测量计算为0.409；

机箱简化：机箱后面板为风机进风口，可选择级别2简化（多边形拟合）或“创建开口区域ICEPAK电子外壳替换”两种方式，避免过度简化导致精度损失；

风扇替换：选择对应风扇模型，指定风扇轮毂及外径，后续需导入PQ特性曲线（最多支持八行流量/压力数据对）；

PCB板设置：通过“工具——电子——设置ICEPAK对象类型”，将PCB板转化为软件支持的PCB类型，可设置铜层厚度、敷铜率，或通过ECAD接口导入布线及过孔文件提升真实性；

散热器与底板简化：均采用“工具——电子——简化命令”，选择级别2简化类型，点击应用并生成；

全流程校验：完成所有组件处理后，模型树应显示全部转化为ICEPAK认可的几何体（本例最终为28部件、89几何体），关闭DM并将模型传递至ICEPAK。

（三）求解域设置

根据分析需求定义求解域：若仅关注机箱内部流体域，计算域与机箱平齐，边界条件设置自然对流换热系数（1W/K-m²）；若需分析前后进风流体域，可沿气流方向扩大计算域。

三、模型参数设置：细化核心特性

参数设置需精准匹配实际工况，涵盖材料、热耗、组件特性等关键维度：

（一）材料与PCB参数

PCB补充设置：明确每个铜层厚度和敷铜率，软件将自动计算导热系数；

接触面处理：输入芯片热阻值及接触热阻值，依据芯片型号查询相关手册确定结壳热阻（Rjc）、结板热阻（Rjb）等参数。

（二）热耗定义

电源热耗：直接在Block属性中设置总发热量为6W，选择定常热耗模式；

芯片热耗：采用经典双热阻模型，在Block属性中设置块类型为“网络”，Networktype选择“双热阻”，指定热阻模型方向，输入结功耗及界面热阻值（Interfaceresistance），需注意双热阻模型内部不划分网格。

（三）多孔板与风扇参数

多孔板参数：设置电阻类型为“穿孔薄板”，流动方向为X向，自由开孔率0.409；

风扇参数：定义风扇类型为“内部”，流动方向为法向，设置自由开孔率0.95，导入非线性PQ特性曲线，单位分别选择cfm（流量）和Pa（压力）。

四、物理模型与网格划分：保障仿真精度

（一）物理模型设置

流态判断：通过求解设置——基本设置——RESET计算雷诺数，强迫对流场景下雷诺数大于1e5选湍流模型，小于1e5选层流模型；

基本参数定义：双击“问题定义——基本参数”，设置为强迫对流、稳态分析，环境温度30℃，放射基准温度30℃，流体材料为空气，重力向量按默认设置（9.80665m/s²）；

辐射模型：根据需求选择表面对表面辐射模型或离散坐标辐射模型，本例默认关闭辐射。

（二）网格划分策略

网格类型选择：模型结构较简单，采用非结构化网格划分，打开网格控制器设置相关参数；

网格尺寸控制：设置最大网格元尺寸（X/Y/Z方向均为10mm）、最小间隔（0.1mm），最小间隙单元数3，最小边单元数2，最大尺寸比率2，避免O网格；

网格质量校验：本例最终网格元数1237743，节点数1280026，网格贴合度良好，无畸变严重的网格单元。

五、求解设置与监控点创建

（一）模型检查与求解配置

模型检查：通过“模型——检查模型”功能，校验几何体兼容性、参数完整性等，避免求解报错；

求解设置：保持默认配置，采用耦合压力-速度求解格式，启用斜网格的求解器修正，调用Fluent求解器进行计算；

监控点创建：将需重点关注的芯片结点、PCB关键区域等拖拽至监控点文件夹，实时监测温度变化。

（二）求解执行

弹出求解对话框后保持默认设置，点击“开始计算”，软件将自动完成流场与温度场的耦合求解，期间可观察残差收敛情况。

六、后处理与结果分析：验证设计合理性

求解完成后，通过后处理工具提取关键数据，判断散热系统是否满足设计要求：

（一）收敛性判断

满足以下条件即可认为求解收敛：

流场残差标准达到1e-3，能量方程残差达到1e-7；

进出口流量相对误差在1%之内；

监控点温度迭代曲线平稳，无明显波动。

（二）关键结果分析

温度分布：通过温度云图查看模块整体温度分布，本例中PCB板最高温度未超过60℃，双热阻芯片结点温度通过Solution窗口查询，XP1_1为100.814℃，XP1_2为101.014℃，XP2系列芯片温度在84℃左右，需结合芯片许用温度判断是否达标；

流场特性：通过粒子流动图与速度云图，观察气流组织是否合理，风扇出风是否均匀，有无涡流或气流阻塞区域；

热流量验证：查看开孔、壁面、多孔板及风扇的热流量数据，验证热量传递路径是否符合设计预期。

运用ICEPAK进行风冷散热分析的核心逻辑的是“精准建模-合理简化-参数匹配-精细求解-科学验证”。从模型导入到后处理的全流程中，需重点关注几何体兼容性、组件参数真实性、网格质量及收敛性判断，才能确保仿真结果可靠。本例通过完整流程验证了2U机箱风冷系统的散热性能，为风机选型优化、组件布局调整提供了数据支撑，也为同类电子设备的风冷散热分析提供了可复用的实操框架。