熱仿真的原理、分析步驟、改善方案及實例應用等講解分析（含130講視頻教程）

技術鄰公告

2024年8月8日 13:40

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01什么是熱仿真？

熱仿真是一種通過計算機模擬來預測和分析物體在不同熱環境下的溫度分布、?熱流傳導、?熱應力等參數的技術。這種技術可以幫助工程師在設計階段就預測到在實際使用過程中可能出現的熱問題，從而提前進行優化，提高產品的性能和可靠性。

熱仿真廣泛應用于多個領域，如?電子設備設計、?汽車電子系統、?航空航天、?工業自動化設備和?醫療設備等，其中每個領域都對設備的熱穩定性有嚴格要求。例如，在電子設備設計中，熱仿真可以幫助優化散熱方案，確保設備在高負荷運行時不會過熱；在航空航天領域，熱仿真對于確保電子系統的正常工作至關重要；在工業自動化設備中，熱仿真可以預測其在長時間運行后的溫度變化，確保設備安全。

此外，熱仿真還涉及到模擬熱傳導、對流和輻射等熱交換過程，通過精確的建模和網格劃分技術，以及結果的可視化和數據分析，工程師可以更好地理解和解決與熱相關的設計問題。?

02熱仿真原理

熱仿真的基本原理是求解一系列基于流體力學和傳熱學基本物理定律的方程組。這個過程涉及將連續的空間分割成多個小塊，每個小塊作為一個控制體。在每個控制體內，凈流入的質量導致物體密度變化，而凈流入的能量導致物體溫度變化，這要求每個控制體必須滿足質量守恒定律和能量守恒定律。

此外，流速的變化依據動量定理，即物體在單位時間內某方向上動量的變化與其受到的沖量值相同。這些定理連同流體狀態方程（如密度、導熱系數、粘度、比熱容等物理性質隨溫度、壓強的變化關系式）和用戶給定的邊界條件，構成了軟件進行仿真計算的基本依據。?

在實際應用中，熱仿真還涉及到熱量傳遞的基本方式，包括熱傳導、熱對流和熱輻射。這些方式決定了熱量在不同物質和環境下如何傳遞。例如，導熱系數反映了物質的導熱能力，而熱阻則是在熱量傳輸過程中遇到的阻力。這些概念在設計和優化熱性能時非常重要。?

此外，熱仿真的應用步驟包括建立模型、劃分網格、設置邊界條件和載荷，然后進行仿真計算，并對結果進行后處理，如讀取、分析和可視化等操作。這一過程可以幫助評估產品的性能并進行優化，廣泛應用于機械制造、航空航天、電子電器等多個行業。?

03熱仿真分析步驟

建模：?

在前處理器（?如ANSYS的PREP7）?中定義單元類型、?單元選項、?實常數、?材料性能參數，?并創建幾何模型和劃分網格。?這包括確定Jobname、?Title、?Unit，?進入PREP7前處理定義單元類型和設定單元選項，?定義單元實常數，?定義材料熱性能參數（?對于穩態傳熱，?通常只需定義導熱系數）?，?以及創建幾何模型并劃分網格。?

施加荷載并計算：?

在求解模塊（?如ANSYS的SOLU）?中進行，?包括定義分析類型（?如進行穩態傳熱分析時，?選擇Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis →Steady-state）?，?施加載荷（?如恒定溫度或熱流率）?，?并確定分析選項。?對于恒定溫度，?作為自由度約束施加于溫度已知的邊界上；?對于熱流率，?作為節點集中載荷施加，?主要用于線單元模型中，?代表熱流流入節點，?即單元獲取熱量。?

求解處理：?

完成建模和施加載荷后，?進行求解計算。?這一步涉及到使用仿真軟件的各種功能，?如向導、?項目樹、?分析樹等，?有條不紊地完成仿真分析任務。?例如，?在FloEFD中，?通過向導設置窗口進行基礎設置，?幫助使用者完成仿真分析。?

結果分析與優化：?

根據仿真結果，?對模型進行優化，?如調整散熱器散熱片的大小，?以確保溫度符合安全要求。?這一步可能涉及到多次迭代和調整，?直到達到理想的仿真結果。

熱仿真的原理、分析步驟、改善方案及實例應用等講解分析（含130講視頻教程）的圖1

04熱仿真分析改善方案

希望通過熱設計改善三個方面：

1.熱功率轉換率提高

2.降低外殼溫度

3.放原料地方的熱均勻性

優化散熱設計：?

在電子產品散熱設計中，?使用金屬網格可以顯著提高熱均勻性，?比如通過CAE仿真評估設計優化，?比如通過溫度云圖對比，?加金屬網格的熱均勻性比無金屬網格的好。?

對于PCB散熱，?可以采用多種解決方法，?例如使用TEC（?熱電冷卻器）?提供準確的溫度控制和更快的響應，?可以將TEC與空氣冷卻或液體冷卻技術結合使用，?以擴展高功率耗散處理器的傳統空氣冷卻限制。?

在IGBT功率模塊熱管理中，?使用蒸汽室（?vapour chamber, VC）?取代金屬基板集成于DBC與散熱器之間，?消除了模塊與散熱器連接的接觸熱阻，?大大增強了IGBT模塊的散熱效果。?

采用先進的散熱技術：?

通過提高板片表面換熱系數，?如通過使用具有高表面換熱系數的波紋換熱板片，?能提高整體換熱效率。?

減少表面熱阻，?通過監測介質成分和防止結垢來降低傳熱系數，?保持換熱器的高效運行。?

通過材料和結構的改進：?

在能夠滿足承壓的前提下，?盡可能選擇較小的板片厚度，?因為較厚的板片會影響一小部分傳熱。

05熱仿真在產品設計中的實例應用

?電子產品散熱設計：?在電子產品的設計中，?熱仿真被廣泛應用于評估產品的散熱性能。?例如，?通過研究散熱片的參數（?如翅片個數和高度）?對CPU和變壓器溫度的影響，?可以優化電子機箱的風冷和自然冷卻設計1。?此外，?對于PCB板的設計，?通過仿真分析銅層厚度對溫度的影響，?可以優化PCB板的熱管理，?提高電子產品的穩定性和可靠性。?

汽車制造：?在汽車制造領域，?熱仿真用于評估引擎在高溫條件下的工作表現，?確保引擎的穩定性和耐久性。?例如，?通過模擬汽車引擎在不同工況下的溫度分布，?可以優化冷卻系統的設計，?提高汽車的性能和安全性。?

航空航天：?在航空航天領域，?熱仿真分析航天器在大氣層再入時的熱耐受能力，?保障航天任務的安全順利進行。?通過模擬航天器在極端條件下的溫度分布和熱傳導過程，?可以優化航天器的熱防護系統。?

建筑設計：?在建筑設計中，?熱仿真分析為建筑設計提供了新的視角。?通過模擬建筑在不同氣候條件下的溫度分布和熱量傳遞過程，?可以優化建筑的材料選擇和結構設計，?提高建筑的能效和舒適度。?

熱固耦合和熱電耦合分析：?隨著產品設計的高度集成，?熱管理成為影響模塊穩定性的主要因素之一。?通過進行熱固耦合和熱電耦合分析，?可以預測產品在復雜工作環境下的性能表現，?優化產品設計。