隨形冷卻仿真的案例
隨形冷卻，把復雜異形的問題交給增材制造
自工業注塑制模發展之初，如何使模具表面保持恒溫就一直困擾著人們，在注塑成型中，成品的冷卻時間在注塑生產周期的占比高達70%，主要原因是：在傳統的模具制造中，溫度控制或冷卻水路只能在直線上鉆孔。關鍵熱點通常不在冷卻熱量傳播的范圍之內, 因此無法有效冷卻。
為了使溫度保持恒定，制造商們先后使用了隔板、散熱器、散熱管等；還嘗試將塊狀物層壓在一起，并在模具上加裝結構復雜的鉆孔裝置。如何快速低成本地完成制造又成了一大難題。
美國麻省理工學院Sachs教授于1997年首次提出“注塑模具隨形冷卻技術”概念，設計出與部件輪廓一致的冷卻通道被認為是控制注塑制模溫度的最佳解決方案。然而隨形冷卻增加了模具制造的設計難度及制造復雜度，使得大部分傳統制造商都對其望而卻步。
3D打印技術作為智能制造的代表制造技術，近年來在我國制造業中得到了廣泛運用，使用直接金屬激光燒結 (DMLS) 技術，可以在生產過程中將優化的隨形冷卻水路集成到模具當中。確保散熱更快、更均勻，可以降低模具中的熱應力并延長模具使用壽命。塑料產品質量和零部件的尺寸精度也得到了提高，同時減少了翹曲變形。
此外，3D打印技術在成形復雜結構方面的優勢，擺脫了傳統機加工的成形限制，讓復雜結構的隨形冷卻流道（隨形水道），從設計變成現實。該工藝還可大幅縮短注塑模具的生產周期。
利用激光燒結來進行電子化制造在許多不同的工業已經成為可行的方案。需要強調的重點是，該技術不僅在快速成型環境里可行，而且在多品種的復雜產品的一系列生產中也是可行的。
例如，知名模具服務LBC公司使用全球工業3D打印領導者EOS(2021 TCT亞洲展展位號：G14) 創新激光技術進行模具制造，并對部分或整個工藝鏈進行調整以適應客戶的運營流程。
展開 隨形冷卻流道和晶格結構優化軟件，《賽車總動員》玩具汽車模具是這樣做的
為了生產小型“閃電麥昆車”，IPC決定采用能夠精確遵循汽車形狀的冷卻通道，并利用晶格結構進行減重，打印出性能比以往更好的金屬模具。
閃電麥昆車的金屬3D打印模具，圖片由IPC提供
目標：結合專業的設計和仿真技術加速生產流程
步驟（一）隨形冷卻流道
對于客戶Smoby ，IPC非常重視，在進行小車模具生產時，他們考慮到：如果玩具汽車使用直形冷卻通道，則靠近通道的部分冷卻速度更快，整個小車的冷卻就需要更長時間。此外，變形的風險也會更高。
因此，他們選擇與Materialise合作制作有3D打印隨形冷卻流道的模具，不僅能更快地冷卻，模具質量也更輕。
“對于IPC而言，使用金屬增材制造生產注塑成型模具的主要優勢是可以創建隨形冷卻通道。這使IPC能夠縮短生產周期并提高部件質量。”——Jean-Christophe Bornéat, IPC 項目經理
模具的隨形冷卻通道，圖片由IPC提供
步驟（二）采用晶格結構減重
為了進一步優化模具性能，IPC決定用輕量化結構替代汽車模具的某些實體部分。首先使用Altair軟件優化模具的拓撲結構，同時記下外表面上的壓力，確定可以用晶格結構填充以實現減重的部分。然后將這些結果導入到Materialise 3-matic軟件中，進行表面平滑處理，獲得可以打印的3D模型。
展開 【STAR-CCM+電池冷卻】基于直流道液冷板的動力電池冷卻性能仿真
3 仿真結果及分析
3.1 液冷板溫度分布對比
對冷卻液質量流量Qin = 0.25 kg/s，入口溫度θin =20 ℃工況進行仿真計算，得到液冷板溫度分布，如圖5所示。由于模型1 的回流橫向流道窄（流道右端與液冷板右側內壁之間的通道），冷卻液流速大, 在慣性力的作用下，冷卻液向外側流道流動的現象，回流側冷卻液分布不均勻，各流道散熱能力差異較大導致最內側流道溫度遠高于其他流道。與模型1 相比，模型2 的回流橫向流道呈V 型，在匯流處流道寬度較大，冷卻液流速較低，慣性力作用較弱。此外，冷卻液從內向外依次提前回流，可以減緩冷卻液向外側流道流動的現象。冷卻液流速分布均勻使得內側流道具有較好散熱效果，避免了液冷板回流內側溫度過高，液冷板溫度均勻性更好。
3.2 電池組溫度分布對比
在冷卻液質量流量0.25 kg/s，入口溫度20 ℃工況下進行仿真計算，得到液冷板溫度分布，如圖6 所示。電池組溫度分布呈現上部溫度高、下部溫度低、電池模組間的溫度分布較為均勻的現象。模型1 電池模組的高溫區域明顯多于模型2 電池模組的高溫區域，而且模型2 電池組的最高溫度和最大溫差均低于模型1，模型2 電池組溫度分布更均勻。但由于電池組產熱率較大并且在電池模組高度方向上傳熱路徑太長，模型1 和模型2 均存在電池模組上部散熱不佳的問題，導致電池模組在高度方向上溫度差異較大。
3.3 冷卻液質量流量對冷卻液壓降的影響
保持冷卻液入口溫度為20 ℃，調節冷卻液質量流量Qin 分別設為0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 kg/s 進行仿真模擬，液冷板壓降Δp 隨冷卻液質量流量Qin 的變化情況如圖7 所示。
展開 Moldex3D仿真分析之運用冷卻水路回路精靈有效建構模具冷卻系統
在射出成型領域中，冷卻系統至關重要。塑件必須冷卻固化至特定溫度，脫模頂出時才能具備足夠的剛性，以避免塑件因外力產生變形，并可保持尺寸穩定性。此外，冷卻時間占整個成型周期70%-80%的時間，因此良好的冷卻系統可以大幅縮減成型周期、提升產能。
然而對許多大型產品的模具而言，水路數量多且復雜，這導致在分析之前，須耗費大量時間整理模具中各群水路的進出途徑。Moldex3D Studio的冷卻水路回路精靈提供可整理、編輯水路線條的便利工具，能有效、快速整理復雜的水路路線，加速前處理進程；并以線條代替3D實體水路，減少網格生成的失敗率，提升仿真分析速度。
冷卻水路回路精靈能自動生成最長的適當水路曲線，并標示進出口。在擁有實體3D水路以及水路進出口位置的前提下，該功能可協助用戶快速建立水路回路曲線。本文將示范使用工具頁的中心線、連接信道曲線，再透過冷卻水路回路精靈完成水路回路及進出水口設定*。
*注：本文所介紹的功能僅供演示目的，冷卻水路回路精靈支持更多樣的建立水路曲線功能。
操作流程
步驟1：萃取水路的中心線條
匯入幾何后，在建立水路前，先使用工具欄的中心線來萃取模型中的3D實體水路幾何面，擷取所需的水路幾何線條。點選中心線并進入建構中心線的接口后，框選要萃取中心線的實體水路曲面群，也可以一次框選多個實體水路曲面群，框選好之后點選確認，即完成中心線萃取（右下方圖中的黃色中心線條）。
步驟2：整理連接不完整的水路線條
由工具欄點選連接信道曲線，并框選之前產生的中心線條，點選打勾完成，就會發現之前未連接的線條已自動連接。
步驟3：用冷卻水路回路精靈完成水路回路及進出水口設定
在模型頁面點選回路精靈中的冷卻水路回路精靈，框選連接好的水路線條，再一次點選抓取完成選取。
展開 
設計仿真 | Cradle CFD助力新能源汽車電驅動設備噴油冷卻散熱仿真
海克斯康工業軟件旗下的Cradle CFD軟件能提供實用的、先進的計算流體動力學仿真和可視化解決方案。它具有卓越的處理速度、精細的技術和高用戶滿意度，已被用于汽車、航空航天、電子、建筑、風扇、機械和海洋開發等領域，以解決熱和流體問題。除此之外，Cradle CFD整合了多物理場協同仿真和單向聯合仿真功能，以實現與結構、聲學、電磁、機械、一維、優化、熱環境、3D CAD和其他分析工具的耦合，從而使用戶能夠有效地解決跨多個學科的工程問題。Cradle CFD強大的后處理功能，可以生成視覺上逼真的仿真圖形，輕松表達仿真數據結果，為用戶實現高級仿真處理并提供更好的設計建議。
圖1 Cradle CFD 進行汽車及飛行器外氣動模擬
新能源汽車電驅動系統是指利用電動機將電能轉化為機械能來驅動車輛運行的系統，是新能源汽車的核心部件。該系統的散熱對整車安全和高效運行有重要影響。
展開 某電驅冷卻系統的一維及三維聯合仿真
摘 要：為提高整車熱管理系統的仿真效率和精度，文章以某電驅冷卻系統為例，采用一維及三維聯合仿真的方式，利用三維仿真獲取空氣側支路的各項性能參數，后導入一維軟件中進行計算，評估電驅冷卻支路所需的最低流量。最終確定在使用現有風扇和散熱器的情況下，電驅路流量至少需達到16 L/min才能滿足冷卻系統≤100℃的要求。
關鍵詞：熱管理;電驅冷卻;聯合仿真;
隨著混合動力技術的快速發展，行業和客戶對整車熱管理系統的要求也越來越高。目前行業內主要還是依靠試驗的方式來進行性能確認和控制策略標定，這種方式成本高、周期長，大大影響了產品開發的速度。傳統的三維仿真雖然能對局部熱管理系統進行計算預測，但是針對多系統耦合的發艙熱管理存在計算效率偏低的問題。
本文以某電驅冷卻系統為例[1]，采用一維及三維聯合仿真的方式，在僅有風扇及散熱器數模的情況下，首先通過三維仿真算出一維所需的零部件性能曲線，后在一維軟件中通過多次調整流量邊界，最終確定該系統流量達到16 L/min才能滿足冷卻系統≤100℃的要求。
1 風扇性能求解
1.1 計算目的
對風扇流場進行求解的目的是獲取風扇的靜壓-流量曲線，該曲線為FloMASTER中風扇元件設置的必要性能曲線，表示空氣通過風扇后壓力的升高值與通過風扇的流量之間的關系。因此，在僅有風扇數模的情況下，可以通過三維仿真軟件PumpLinx計算風扇的靜壓及流量數據，將其作為數據輸入，聯合一維仿真軟件進行空氣側系統的整體求解。
1.2 計算邊界及模型
空氣域和轉子域的計算邊界如表1所示。其中空氣域為葉輪交界面與殼體圍成的氣體域，轉子域為葉輪交界面與葉輪圍成的旋轉氣體域。
展開 CFD專欄丨透平冷卻一維流體仿真
為避免高溫高壓燃氣通過輪緣之間的間隙入侵到腔室內部，必須采用冷空氣對渦輪盤間隙冷卻和密封。過多的冷氣會降低發動機性能，過少的冷卻則會造成過熱。
研究表明：入侵的燃氣濃度增加1%會降低動盤50%壽命。而封嚴冷氣減少50%，發動機效率提高0.5%，油耗降低0.5%。采用一維仿真計算可以獲得最佳的冷卻效果。
基于Fluent輪轂電機自然冷卻仿真 ￥220
Fluent輪轂電機自然冷卻仿真
源文件加制作過程錄屏，源文件是workbench，包括幾何，網格，設置跟結果。錄屏是全過程錄屏，包括幾何處理，網格劃分，計算設置跟后處理，錄屏沒有聲音，關鍵步驟錄屏中有文字
平臺軟件：
Ansys 2020版本
基于ABAQUS-CEL的刀體冷卻仿真
基于ABAQUS-CEL的刀體冷卻仿真
紅外加熱爐冷卻通道設計及熱-流耦合仿真 ￥1000
本案例設計建立了一紅外加熱爐，并對模型進行了一定的簡化處理，基于COMSOL軟件的多物理場耦合相關模塊，仿真了爐內物體的加熱和冷卻過程。模型圖和仿真結果如下所示：
感興趣的朋友，歡迎交流合作！
操作技巧- Fluent自然對流冷卻仿真注意事項
根據用戶們向Ansys流體技術團隊反饋的在自然對流冷卻仿真過程中存在的問題，Ansys工程師做了系統的解答匯總。以下知識點雖然都是在Fluent中進行實現，但方法是普適的，在其它CFD軟件中計算時同樣需要注意，希望對大家有所幫助。
關鍵知識點匯總
?網格方面：空氣域需要有邊界層網格，且最大長寬比不宜超過40
?求解器方面：需要使用雙精度求解器
?打開重力
?物性密度方面
‐Incompressibleideal gas->指定操作密度
‐Boussinesq：要求溫度變化較小（<20%）; 指定操作溫度
?壓力空間離散格式: body force weighted 或者Presto!
?需要計算非穩態時間常數，時間步長取其1/4左右
?P-V耦合
‐推薦使用coupled; CFL設置為100，密度松弛因子0.8
‐simple也可以計算
?初始時使用一階算法，穩定后切換到二階
?Bodyforce 松弛因子不宜大于0.5
?必要時可關閉溫度的二階梯度
以下是對上述點具體實現的描述：
在WTM中可實現對長寬比生成的控制
打開重力
物性密度操作
壓力離散格式
時間步長計算
PV耦合
關閉溫度二階梯度
相關資料：
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您也可以聯系Ansys中國官方售前咨詢，獲取更多相關資料：400 819 8999
更多前沿實用技術、工程創新實踐，可前往Ansys 流體大本營微信公眾號：Ansys-CFD
來源：Ma Shihu，Jing Wenming，Ansys 流體大本營
展開 
基于內部通道冷卻的渦輪葉片熱應力仿真 ￥5
在渦輪機行業，用流體冷卻渦輪葉片是常見的做法 流經冷卻孔。由于刀片中的溫度梯度， 會產生熱應力，從而導致葉片失效。
在典型的熱應力分析中，溫度被計算出來，然后應用為 應力分析的荷載條件。雖然可以解決 溫度通過對共軛傳熱進行建模 計算流體動力學 （CFD） 代碼，它需要大量的 計算資源。CFD 的降階模型，假設一維流 通過孔，可以提供一種廉價的解決方案，而不會造成重大損失 準確性。由于通過冷卻孔的質量流量是已知的，因此經驗 薄膜系數的關系可用于模擬來自 刀片到流體。
Moldex3D仿真分析之塑件冷卻時間理論計算
例如計算非牛頓流體在特定澆口尺寸與外型下，不同流率對應的剪切率；或是計算指定厚度下，平板的冷卻時間與溫度分布等。對此MHC也整合這些理論公式，并建立互動接口，供用戶方便進行理論計算。我們將使用兩個理論數值計算的案例進行說明。
圖一 利用MHC設計估算器，能立刻利用經典理論求得指定參數的理論值
塑件冷卻時間理論計算
在射出成型中，冷卻時間是影響產品質量與產能的重要因素。在成型周期中，冷卻到開模并取出塑件將占據絕大部分的時間，若能正確的評估冷卻時間，將有效的提高產能，降低時間成本。塑料是熱的不良導體，塑件的厚薄將會影響冷卻效率。為了能正確的評估不同塑件厚度下的冷卻時間，科學家們針對平板塑件在模座中的冷卻行為進行完整的分析，包含塑件平均溫度降溫到頂出溫度所需的時間，塑件在特定時間下的溫度分布等等，推導出的平板冷卻時公式如圖二所示。
圖二 平板平均溫度達頂出溫度的理論公式
利用MHC設計估算器的?塑件冷卻時間?功能，為方便計算平板塑件的理論冷卻時間，用戶可以直接從材料數據庫中導入材料參數：包含材料的熱性質與加工條件，并依需求調整計算的塑件厚度區間。估算器會把不同厚度下塑件降至頂出溫度的時間計算出來，并繪制該時間點距離中心位置的溫度分布曲線圖。
圖三 MHC設計估算器的?塑件冷卻時間?中，可以直接導入材料庫數據
圖四 MHC估算器能繪制：(1)不同厚度塑件的冷卻時間評估與(2)達冷卻時間時的溫度分布
澆口剪切率理論計算
塑料在充填過程中會發生剪切生熱，過大的剪切率會導致塑料異常高溫，進一步發生裂解或黃化現象。澆口的橫截面通常是整個零件最小的區域，使該處常伴隨著最大剪切率。因此在澆口尺寸優化上，其中一項重要的考慮因素就是澆口最大剪切率。
展開 Moldex3D仿真分析之塑件冷卻時間理論計算
例如計算非牛頓流體在特定澆口尺寸與外型下，不同流率對應的剪切率；或是計算指定厚度下，平板的冷卻時間與溫度分布等。對此MHC也整合這些理論公式，并建立互動接口，供用戶方便進行理論計算。我們將使用兩個理論數值計算的案例進行說明。
圖一 利用MHC設計估算器，能立刻利用經典理論求得指定參數的理論值
塑件冷卻時間理論計算
在射出成型中，冷卻時間是影響產品質量與產能的重要因素。在成型周期中，冷卻到開模并取出塑件將占據絕大部分的時間，若能正確的評估冷卻時間，將有效的提高產能，降低時間成本。塑料是熱的不良導體，塑件的厚薄將會影響冷卻效率。為了能正確的評估不同塑件厚度下的冷卻時間，科學家們針對平板塑件在模座中的冷卻行為進行完整的分析，包含塑件平均溫度降溫到頂出溫度所需的時間，塑件在特定時間下的溫度分布等等，推導出的平板冷卻時公式如圖二所示。
圖二 平板平均溫度達頂出溫度的理論公式
利用MHC設計估算器的?塑件冷卻時間?功能，為方便計算平板塑件的理論冷卻時間，用戶可以直接從材料數據庫中導入材料參數：包含材料的熱性質與加工條件，并依需求調整計算的塑件厚度區間。估算器會把不同厚度下塑件降至頂出溫度的時間計算出來，并繪制該時間點距離中心位置的溫度分布曲線圖。
圖三 MHC設計估算器的?塑件冷卻時間?中，可以直接導入材料庫數據
圖四 MHC估算器能繪制：(1)不同厚度塑件的冷卻時間評估與(2)達冷卻時間時的溫度分布
澆口剪切率理論計算
塑料在充填過程中會發生剪切生熱，過大的剪切率會導致塑料異常高溫，進一步發生裂解或黃化現象。澆口的橫截面通常是整個零件最小的區域，使該處常伴隨著最大剪切率。因此在澆口尺寸優化上，其中一項重要的考慮因素就是澆口最大剪切率。
展開 鋼板噴霧冷卻FLUENT仿真操作過程
鋼板噴霧冷卻FLUENT仿真操作過程
案例及相關截圖均于2016年制作，未曾翻制新版。
文檔中截圖界面為FLUENT15.0，舊版文件用新版本可打開，懶得重新截圖了。
設置過程可靠，其它版本可以類推。
工況介紹
如下所示，噴嘴向一塊熱（350℃）鋼板作噴霧（水氣混合）冷卻。
