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仿真模型導語據悉，為研究鋰離子電池熱特性機理，針對電池表面自然對流換熱系數展開研究，通過實驗得到了電池基本生熱參數并以此建立了單體鋰離子電池生熱模型，仿真分析了恒溫條件下不同放電電流的表面自然對流換熱系數。鋰離子電池因其高比能量特性而被廣泛應用于電動乘用車輛，其使用壽命受到自放電率、溫度等因素的制約。

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。

3 結果分析利用ANSYS Workbench 19.2 Icepak軟件仿真環境溫度為20攝氏度時，電池模塊在自然對流和不同風扇功率、不同風扇方向、不同電池單體間隙條件下的溫度分布和空氣流速分布。

課程內容速覽??1.散熱的基本原理：介紹熱量的傳遞方式、傳熱系數等基本概念，為后續學習打下基礎。2.自然對流散熱：詳細講解自然對流散熱的原理及計算方法，并列舉實際應用案例。3.常用散熱方法：包括風冷、水冷、熱管等方法的基本原理、設計要點和實際應用場景。4.散熱材料的選擇：介紹各種散熱材料的特性和應用場景，幫助大家選擇合適的散熱材料。

仿真分析軟件中ANSYS絕對占據了統治地位，幾十年的驗證充分說明了他的重要性，至于其他軟件可以作為研究可以了解一下。

2 常規所遇的熱仿真設計重點 幾何模型處理及導入(Ansys Spaceclaim) 熱及流理論計算－導熱 (傳導熱，包含通過PCB組件及Trace的能量)－對流 (自然對流/強制對流，包含風扇處理)－輻射 (吸收/散射/放射/反射/穿透，包含太陽輻射效應

自然散熱是一種經濟的散熱方式，產品熱量通過對流、熱傳導、輻射等方式向低溫物體傳遞[1,2,3],產品通過達到散熱效果。2.2 熱量傳遞形式自然散熱的熱量傳遞的基本形式有3種基本形式：熱傳導、對流傳熱和熱輻射[1,2,3]。熱量從高溫物體傳遞到低溫物體的過程稱為熱傳導。不通材料、物質、元素具備不通的熱傳導性能，也叫導熱性能，例如金屬材料的導熱性能高于非金屬材料的導熱性能。

對流烤箱除了輻射外還使用強制對流，以加熱食物。在這個案例中，我們不對輻射進行建模，而是關注關于比較由于自然對流而發生的熱傳遞（在傳統烤箱）和強制對流（在對流烤箱中）。目標 比較兩個烤箱將餅干加熱到溫度200℃時所需要的時間； 比較餅干在兩種設置的烤箱中，餅干中的溫度分布的均勻性。

采用熱分析軟件ANSYS ICEPAK進行仿真分析。在 ICEPAK15.0 版本中建立 LED 散熱仿真模型，主要由LED 燈、導熱介質和散熱器組成。考慮到 LED 內部熱阻是一穩定值，因此，把模型中每個 LED 看成一個熱源，忽略 LED 每部結構，將每個 LED 燈設置為溫度監控點。采用自然對流模式，空氣的自然對流系數取平均值7.5 W/(m·K)[7]。

一些對流的表面系數如下：空氣自然對流一般是3~10，空氣強制對流是20~100，水自然對流是200~1000，水強制對流是1000~15000，水沸騰時2500~25000，相變是10000~1000003. 輻射物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。因熱的原因發出輻射能的現象稱為熱輻射。

2 ANSYS仿真計算2.1熱端仿真計算目前，隨著計算機性能的提升及數值求解技術的不斷完善，熱仿真的精度和效率都在日漸提升，熱仿真軟件已成為熱設計工作中最重要的輔助工具之一。下面通過ANSYS Icepak熱仿真軟件對半導體熱端散熱情況進行仿真分析。

為計算自然對流與傳熱過程激活能量方程，打開重力項，添加重力加速度數值9.8m/s2與方向。環境空氣屬性使用布西尼斯克假設來反應溫升不高時候的浮力作用，密度和動力粘度值按照常溫常壓條件下的數值，例如密度為1.225 kg/m^3，動力粘度為1.7894e-5 kg/(m·s)，導熱系數為0.0242 W/m-K，熱膨脹系數為0.00367 /K。

coefficient( VLHTC危險，謹慎使用不與任何參考溫度配對與文獻的數值差別較大文章來源：新能源汽車熱管理仿真技術

自然對流換熱：Nu = f(Gr,Pr) = C(Gr.Pr)的n次方 = C.R×a的n次方，對于層流換熱，n = 0.25，對于湍流換熱，n=0.33在Amesim中如上的參數可以通過軟件設定，對于特定系統，如何決定強迫對流和自然對流的比例通過如下計算：Gr/Re平方，若<<1，則忽略自然對流，若>>1，則忽略強迫對流，若≈1，則都需要考慮。

根據對流的方式不同，我們可以將散熱設計分為兩種：被動散熱與主動散熱。 被動散熱（自然對流） 即自然對流的方式散熱，主要應用在對溫度控制要求較低的電子元器件、或者熱流密度相對較低的低功耗器材以及部件之中。當產品的熱流密度很大，通過自然對流的方式不足以解決散熱問題時可以通過主動散熱的方式來解決。

強迫風冷服務器中的細密齒散熱器（左）自然散熱產品中的稀疏齒散熱器（右）我們看到，牛頓冷卻定律中，換熱面積和對流換熱系數是一個乘積的關系，要獲得最佳的散熱面積和對流換熱系數的綜合最優值，需要多次測試優化對比。由于仿真軟件的廣泛使用，在打樣測試前，為節省成本，提高效率，通常會進行仿真預測最優的散熱器設計方案。

實操教學環節，技術鄰將Ansys熱應力仿真的完整流程拆解為“可復制、可跟隨”的“傻瓜式”步驟，采用“屏幕共享+實時操作+同步講解”的方式，手把手帶練每一個關鍵環節：從“導入幾何模型→簡化非關鍵特征（如刪除無關倒角、小孔，減少網格量30%）”，到“設置材料熱物理參數（如導熱率、比熱容、熱膨脹系數）→定義熱載荷與邊界條件（如溫度載荷、對流換熱系數）”，再到“劃分網格（結構化網格占比優化至80%，確保計算精度