水冷散热器的精细化设计是需要借助仿真软件的。目前可以完成水冷仿真的商业软件有很多种，各有优势，在此不做对比。Jason用的是FloTHERM，但是主要的分析方法是一致的。

不同于风冷的系统，水冷整个系统比较庞大和复杂。工程中一般不会将散热器，换热器，泵阀等一起仿真，那样的计算量太大，一般会确定流量后，单独对水冷散热器做定流量的分析。

一、工质的设置

考虑到结冰的影响，一般常用的冷却介质会选择乙二醇溶液，西方一些国家基于环保的考虑，限制用乙二醇，则可能应用丙二醇溶液。不管乙二醇，还是丙二醇，加入纯水之中，都会影响工质的散热性能。

为软件设置工质时，需要考虑密度，比热，导热系数和粘度四个主要参数。因为电子散热场景下，水冷的温度范围比较窄，诸如膨胀率等，可以不予考虑。

输入物性参数看似简单，但如果工程师是个爱偷懒的人，比如Jason这样的，同时再有一点疏忽的话，可能会导致严重的失误：仿真时，我们经常需要生成一些新的材料，如果是稳态问题，我们设置固体材料时，常常只设定导热系数，密度、比热等参数往往因为偷懒而忽略，事实上，有些复合材料也很难得到这两个参数的精确值。因此，在惯性思维的引导下，有的朋友在稳态水冷的场景下，设置新的冷却介质时，会忽略掉比热，认为这个东东只有在瞬态问题中才有用。我们看一下对流换热系数的求解公式，貌似一眼过去也没有看到比热的影子：

事实上，比热隐藏在Pr数之中，我们没有直接定义Pr数，而是通过比热，导热系数和粘度间接定义的。

如果将比热默认为1，相当于将Pr数缩小了3个数量级，则对流换热系数相应的缩小一个数量级！有兴趣的朋友，可以对比试一下，看够不够酸爽，够不够惊喜。

另外一个需要注意的是，做风冷的仿真分析，我们大都适应了空气参数的皮实。一般按照软件默认的30℃时空气物性参数，也不会有太大的麻烦。但是水冷的仿真，需要注意是，乙二醇或丙二醇溶液的粘度随温度变化比较大，特别是浓度大的时候。比如浓度50%的乙二醇溶液(V:V)，20℃时的粘度大约是45℃时的二倍，忽略温度影响，会导致流动阻力的巨大偏差。

FloTHERM中，可在项目库中的Fluid中右键选择Create Fluid，并在参数列表内输入对应数值。

Flotherm支持多流体仿真，可以在指定区域通过Region定义流体。

另外需要提醒的是，Region 的优先级相对较低，与固体重合的区域，默认是固体的材质属性，仅有未填充区域，才是Region设定的流体，所以如下图中的复杂流道，没有必要划分成很多个小Region分别定义流体，仅需一个Region将整个流道区域覆盖，定义流体即可。

二、源

前文说过，水冷是的仿真分析，一般不会做整个系统的仿真，通常水冷散热器是做定流量分析的。在FloTHERM里，大都用FixFlow作为流体的源，设置水冷板的流量。同时可以设定入口处的工质温度，甚至可以系统的环境温度不同。

需要提醒的是，FixFlow必须紧贴在求解域的边界，否则系统会报错。

三、收敛问题

最完美的收敛，是各条残差曲线都达到1，但是做气液共存的水冷仿真，这是很奢侈的事。

FloTHERM中，计算终止标准(残差到1的位置)分别是：

•质量平衡终止标准(压力场残差)=0.005 M (kg/s)

对于强迫对流: M 代表进口或出口处的总流量

对于自然对流: M =ρ.EFCV.A

其中ρ代表流体密度；EFCV: 预估自然对流速度，默认为0.2m/s；A代表水平面面积

•动量平衡终止标准(速度场残差) = 0.005 MV (N)

对于强迫对流: V 为风扇或FixFlow最大速度

对于自然对流: V为预估自然对流速度

•能量平衡终止标准(温度场残差)= 0.005 Q (W)

如果在系统中有热源或热沉，则Q为热源或热沉总功率

如果系统中无热源或热沉，则Q = M CpΔT， ΔT = 20 °C

这些参数设置满足大多数系统的要求，并且是相当保守的收敛标准。含有气液两种流体的仿真时，会发生收敛问题，因为系统默认是以空气作为流体特性参数而设置。以压力场残差为例，由于水的密度接近于空气的1000倍，利用空气的总流量的0.5%作为判据，这个标准是非常严苛的，因此，水与空气两种介质共存的仿真场景，残差会比较高。

为了收敛曲线看上去比较好看，有人会修改收敛判据，比如把M提高1000倍，但是这对计算结果没有影响，只是看上去好看而已。

四、关于精度

前不久，交流群里有人贴出了一个FloTHERM与其他软件的对比，结论是FloTHERM在流动阻力的计算中偏差太大。当时在群里引起了比较激烈的讨论。最后得知是测评者在FloTHERM模型中把流线型流道改成了垂直相交的，这无疑增大了流动阻力。

FloTHERM对斜面物体的建模，一直为人所诟病。但其实，FloTHERM软件自带的FloMCAD Bridge，可以将复杂的几何形体转化FloTHERM模型。包括下图中的圆弧形流道。

仿真精度，其实跟很多因素有关，边界条件设置、物性参数选取、模型简化等都会有影响。因此，抛开工程师的因素，把误差完全归结为软件原因是不严谨的。