張楊

北京安世亞太公司

本文介紹了聯合利用ANSYS Fluent和ANSYS Twin Builder建立液冷板散熱ROM和溫度場Static ROM的過程，實現了三維CFD仿真降階為一維數學模型(ROM)，為建立液冷板散熱模型創建了基本的仿真計算數學模型，從而提升了數字孿生的應用價值和工作效率。

數字孿生體是現有或將有的物理實體對象的數字模型，通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態，通過優化和指令來調控物理實體對象的行為，通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內的決策。

通過數字孿生體模型，可以實現全面監控系統的關鍵參數，分析系統在非常規條件下的各種性能。利用數字孿生體模型進行虛擬化測試，縮短了測試和分析的時間，降低了測試和分析的成本，并可以根據虛擬化測試結果優化試驗參數。

然而，傳統的三維CAD仿真時間較長，無法對不同輸入載荷（或邊界條件）提供快速的模擬結果，導致數字孿生的時效性大打折扣。為此，我們提出了降階模型（ROM）的工作思路，將本應數十分鐘甚至上百小時的CFD仿真流程簡化，進化為秒級（甚至毫秒級別）的響應效率，從而為數字孿生技術提供高效實時的虛擬映射結果。

圖1三維CFD降階模型技術路線圖

電子設備散熱模擬中降階模型的技術路線

電機中的定子電磁噪聲主要受兩方面的因素影響，電磁激振力和相應激振力引起的結構響應及聲輻射，以下對引起噪聲的定子電磁力的解析表達及相應的振動和聲輻射的研究情況進行綜述。

依據圖1中的技術路線，首先將液冷設備的三維CAD模型進行修復和簡化，隨后抽取流體區域并設定邊界命名。這一部分前處理工作與常見的CFD電子散熱仿真沒有任何區別。值得一提的是，靜態降階模型（Dynamic ROM）也可以使用CAD模型特征（如零件尺寸、布局、陣列數量等）作為初始輸入參數，但是會增加計算的規模，不做討論。

圖2 液冷板的幾何模型與網格情況

隨后劃分網格并導入到Fluent中進行邊界條件與物理模型設定。目前的ANSYS CFD靜態三維降階模型只能通過單獨打開的Fluent軟件來構建訓練數據，因此還不支持通過Workbench進行集成仿真分析。

訓練數據的生成方法

設定好Fluent計算案例后，我們需要通過新增的ROM技術來完成訓練數據的選擇和生成。主要需要以下三個步驟：

①選擇輸入變量，此部分內容必須從已有的自定義參數中選擇。

②選擇輸出變量，選擇輸出的場數據，分別選擇對應的邊界名稱（面邊界或計算域均可）和變量。

③輸入訓練數據生成點，需要分別指定每個工況下，所有輸入參數的取值，以及迭代步數等內容。需要注意的是，數據點的分布需要通過ANSYS Design Xplorer或者Optislang來生成。

圖3 輸入參數的選擇

圖4 輸出變量及邊界的選擇

圖5 設計點參數指定及迭代步數輸入

 

設置完成后，我們可以選擇保存訓練數據的設置內容，方便以后的重復調用，當然，我們也可以直接開始求解計算。

圖6 保存與調用訓練數據的界面與方法

 

計算完畢后，我們在工作目錄中可以獲得訓練數據文件，包含輸出變量的網格節點信息、DOE實驗點數據分布以及每個工況的結果文件，即*.bin文件。

圖7 訓練數據的輸出

通過訓練數據生成降階模及ROM的應用（后處理展示）

在獲取了完整的訓練數據之后，我們可以使用ANSYS Twin Builder中的Static ROM來獲取降階模型。主要步驟包括以下四點：

①讀入已有的*.bin訓練數據，注意此處只能選擇一種變量生成模型，在通常CFD仿真中，一般選擇溫度、速度或對流換熱系數等結果。

②選擇一定比例（默認是50%）的訓練數據來生成降階模型，其余未被選中的數據用來驗證降解模型的精度。對于不同數據的誤差，可以通過直觀的云圖來展示其差異。

圖8 訓練數據與ROM結果對比

③儲存該降解模型為*.rom格式的文件，該文件后續可以應用在ANSYS Twin Builder軟件中，降階模型文件是數字孿生技術中的重要組成部分。

④通過Viewer來展示ROM的結果，如下圖所示，當用戶在給定的范圍內調整輸入參數時，右側的圖形界面會實時更新結果分布云圖，從而實現數字孿生技術的快速響應。

 

圖9 降階模型的應用與展示

小結

本文介紹了聯合利用ANSYS Fluent和ANSYS Twin Builder建立液冷板散熱ROM和溫度場Static ROM的過程，實現了三維CFD仿真降階為一維數學模型(ROM)，為建立液冷板散熱模型創建了基本的仿真計算數學模型，從而提升了數字孿生的應用價值和工作效率。