強制対流のCFD解析 — ヒートシンク設計への適用

そうだね。アルミ押出しフィン、ピンフィン、液冷コールドプレートなど、いずれも強制対流による放熱が主体だ。設計変数としてはフィンピッチ、フィン高さ、流路幅、流量などがあり、CFDで熱抵抗 $R_{th} = \Delta T / Q$ を評価してパラメトリックスタディを行う。

(1) フィンの対称性を利用して1ピッチ分だけモデル化する（周期境界条件を使用）。(2) 入口に一様流速、出口に圧力出口を設定。(3) フィン底面に一定熱流束を付与。(4) SST k-ωで定常計算。(5) フィン底面の平均温度から熱抵抗を算出。

短いヒートシンク（$L/D_h < 20$）では入口効果が無視できないので、全体モデルが必要だ。長いヒートシンクで完全発達流れが主体なら1ピッチ+周期条件で十分。Fluentではperiodic conditionにmass flow rateを指定できるし、STAR-CCM+でもperiodic interfaceで設定可能だ。

液冷コールドプレートは典型的なCHT問題だ。アルミや銅のプレートに微細流路（マイクロチャネル）を加工し、水やクーラントを流す。流路の水力直径 $D_h$ が1mm以下になるとRe数が低くなり層流になることも多い。その場合は層流モデルで十分だ。

非常に重要。ポンプの動力制約があるから、熱抵抗と圧力損失のトレードオフを最適化する必要がある。パレートフロント（多目的最適化）の考え方が有効で、STAR-CCM+のDesign ManagerやFluentのDesign ExplorationツールでDOEベースの最適化ができるよ。

直線流路ならDarcy-Weisbach式 $\Delta p = f \cdot (L/D_h) \cdot (\rho u^2/2)$ で検証できる。層流なら $f = 64/Re$ 、乱流ならMoody線図の値と比較する。CFDの圧損がこれらと10%以上ずれていたらメッシュか設定に問題がある可能性が高い。