计算流体力学--多相流仿真专题

CAE大拿

第六章 自由表面流的仿真（5）

　    这一次将介绍微观尺度自由表面流的仿真实例。

　    近年来，以智能手机为代表的电子设备越来越向小型化发展，现在经常要把比1毫米还小的电子零部件高密度地安装在基板上。用手工焊接电子零部件来实施这样的安装，肯定不能进行批量生产。因此，就用印刷机把膏状的焊料（或称为焊膏）按要求涂印在基板上，在这上面配置相应的电子零部件。然后，给整块基板加热、再冷却，让焊料熔化，而后再凝固起来。这样的安装过程叫做回流焊接。

     现在用VOF法对回流焊接中熔化的焊料的形态进行仿真模拟。在图6.1所示的基板上有两处基盘，上面涂上焊膏，再配置上方形的贴片电阻器。贴片电阻器的型号为0402，以表示其尺寸长为0.4毫米，宽为0.2毫米。在这一次的模拟解析中，对熔融焊料的粘性系数，让其在从100变化到0.02再由0.02变化到100（帕·秒），以表示加热及冷却的过程。熔融焊料的密度为8000千克/米3 、表面张力为0.40牛顿/米，其与基盘及贴片电阻器的接触角设定为30°。

图6.1 贴片电阻器的安装示意图

　    然后，如图6.2那样划分网格，用重叠网格把围绕贴片电阻器的移动区域及静止区域的元素重叠在一起。贴片电阻器的运动由六自由度（6DOF，即6 Degree of freedom）的运动方程来控制，考察在熔融焊料的作用力下，所产生的平移及回转运动。

图6.2 重叠网格示意图

　    图6.3所示是熔融焊料表面的模拟结果。图中重现了在贴片电阻器的两端熔融焊料表面形成的如同鱼排状的焊锡面。图6.4所示是从正面看到的两端的焊锡面。

图6.3 熔融焊料的表面（无错位的情形）

图6.4 从正面看到的象鱼排一样的焊锡面（无错位的情形）

　    图6.5是贴片电阻的俯视图。如图所示，贴片电阻的配置有点歪斜错位。图6.6是有歪斜时的熔融焊料的表面，图6.7是有歪斜时的焊锡面。可以看到，像这样稍稍有点歪斜的错位，并不影响焊锡面的形成。

图6.5贴片电阻器的俯视图（配置有点歪斜错位）

图6.6 有歪斜错位时的熔融焊料表面

图6.7 有歪斜时的焊锡面

        其次来看看，贴片电阻器横向错位时的情况。图6.8给出了两种大小不一的错位，其中标有条件1的图中，贴片电阻比上面图中的正确位置往左略偏移了一点；而标有条件2的图中，贴片电阻更往左偏移了一段距离。两者都没有同时产生歪斜错位。图6.9显示的是在条件1的横向错位下，熔融焊料表面的模拟结果，图6.10则给出了在同样条件（条件1）下形成的焊锡面。我们可以看到，虽然贴片电阻如图6.9所示那样左右稍有晃动，但是，略有一点横向错位对焊锡面的形成并无影响。

图6.8 横向错位（图中条件1，偏移较小；条件2，偏移较大）

图6.9 熔融焊料的表面（横向错位之条件1）

图6.10 焊锡面（横向错位之条件1）

     图6.11是在条件2的横向错位下，熔融焊料表面的模拟结果。就象图中显示的那样，电子部件站立起来了。有人用美国纽约市曼哈顿区的高楼大厦来比喻这样贴片竖立的现象，戏称之为曼哈顿现象。就这样，通过流体的仿真模拟，重现了贴片竖立现象。

图6.11 熔融焊料的表面（横向错位之条件2）

        有关自由表面流仿真的的讨论，到这一讲就结束了。虽然还存在如何减少计算用时等课题，但最新的流体仿真模拟，可适用于从微观到宏观，各种各样的模拟对象。

　     从下一次课程起，将介绍有关粒子追踪的仿真模拟。