电子器件的集成度持续提高，芯片热流密度不断攀升。过高的结温会加速半导体失效、降低寿命并影响性能，因此热管理已成为电子产品设计的核心约束。对于功率 5 W 量级的芯片，自然对流加散热器的被动散热方案因结构简单、可靠性高而被广泛采用。散热设计的关键指标是热阻 R_th = ΔT/P，它表征散热路径的总热阻，直接决定芯片在给定功耗下的温升。
计算流体力学（CFD）热仿真可在三维空间内耦合求解流动（纳维-斯托克斯方程）与传热（能量方程），预测散热器翅片间的自然对流流场、温度场与芯片结温，从而在设计阶段评估散热方案、优化翅片几何，避免反复试制实验样机。
自然对流由浮力驱动：翅片加热周围空气，空气密度减小而上浮，形成自下而上的循环流动。控制方程为连续性方程、动量方程（含浮力项，Boussinesq 近似：ρ = ρ₀(1 − βΔT)）与能量方程。无量纲参数为瑞利数 Ra = gβΔTL³/(να)，Ra 超过临界值时流动由层流转入湍流。
芯片热量依次通过封装、导热界面材料（TIM）传导至散热器基板，再经翅片表面对流散逸至环境。总热阻 R_total 为各部分串联：R_total = R_junction + R_TIM + R_spread + R_convection。对流热阻占主导，其大小取决于翅片表面积、空气流速与换热系数 h（自然对流 h 通常为 5–25 W/(m²·K)）。
散热器的热阻 R_sink = (T_base − T_amb)/P，芯片结温 T_j = T_amb + P·R_total。工程要求 T_j 低于芯片允许的结温（通常 85–125 °C）。散热器热阻越低，相同功耗下结温越低，散热能力越强。
图 16 的左面板给出芯片-散热器对称面的温度场云图。颜色由蓝（环境 25 °C）至红渐变，芯片中心（热源位置）温度最高，达 72 °C（红色标注）；温度沿散热路径逐级下降——芯片（72 °C）→ TIM → 基板 → 翅片根部（约 60 °C）→ 翅片顶端（约 50 °C）→ 环境。温降梯度清晰展示了热量的传导-对流串联路径，芯片到环境的整体温升为 47 K（72 − 25 °C）。该温度场验证了散热路径设计的合理性：芯片结温 72 °C 远低于 85 °C 的许用结温，散热裕量充足。
图 16 的右面板给出翅片间空气的速度矢量场（彩色矢量，颜色表征速度大小）。空气在翅片底部附近被加热后加速上升，形成自下而上的自然对流回路，翅片间通道中部速度最大（约 0.12 m/s，红色箭头标注），贴近翅片表面速度趋近于零（边界层）。这一流场形态正是自然对流换热的典型特征：浮力驱动、边界层发展、上升热羽流。速度场与温度场耦合——速度大的区域对流换热强，对应翅片表面温度梯度大、散热效率高。
两面板结合，左面板给出了散热系统的温度分布（结果），右面板揭示了温度场背后的对流机制（原因），共同构成”5 W 芯片自然对流散热”的完整热分析，支撑”散热器热阻约 8.5 K/W、芯片结温 72 °C”的设计结论，为翅片几何优化（增加翅片数、增大高度、优化间距）提供定量依据。
本项目对 5 W 芯片的铝制散热器自然对流散热进行了 ANSYS Fluent 三维热仿真，芯片结温 72 °C，散热器热阻约 8.5 K/W，结温裕量充足。案例图以温度云图与速度矢量图双面板呈现。
后续可拓展：(1) 参数化扫描翅片高度/间距/数量，优化散热器几何；(2) 引入强制对流（加风扇），对比不同散热方案的性能与噪声；(3) 进行瞬态热仿真，评估芯片功率波动下的温度响应。
