热仿真的原理、分析步骤、改善方案及实例应用等讲解分析（含130讲视频教程）
2024年8月8日 13:4001什么是热仿真？
热仿真是一种通过计算机模拟来预测和分析物体在不同热环境下的温度分布、热流传导、热应力等参数的技术。这种技术可以帮助工程师在设计阶段就预测到在实际使用过程中可能出现的热问题，从而提前进行优化，提高产品的性能和可靠性。
热仿真广泛应用于多个领域，如电子设备设计、汽车电子系统、航空航天、工业自动化设备和医疗设备等，其中每个领域都对设备的热稳定性有严格要求。例如，在电子设备设计中，热仿真可以帮助优化散热方案，确保设备在高负荷运行时不会过热；在航空航天领域，热仿真对于确保电子系统的正常工作至关重要；在工业自动化设备中，热仿真可以预测其在长时间运行后的温度变化，确保设备安全。
此外，热仿真还涉及到模拟热传导、对流和辐射等热交换过程，通过精确的建模和网格划分技术，以及结果的可视化和数据分析，工程师可以更好地理解和解决与热相关的设计问题。
02热仿真原理
热仿真的基本原理是求解一系列基于流体力学和传热学基本物理定律的方程组。这个过程涉及将连续的空间分割成多个小块，每个小块作为一个控制体。在每个控制体内，净流入的质量导致物体密度变化，而净流入的能量导致物体温度变化，这要求每个控制体必须满足质量守恒定律和能量守恒定律。
此外，流速的变化依据动量定理，即物体在单位时间内某方向上动量的变化与其受到的冲量值相同。这些定理连同流体状态方程（如密度、导热系数、粘度、比热容等物理性质随温度、压强的变化关系式）和用户给定的边界条件，构成了软件进行仿真计算的基本依据。
在实际应用中，热仿真还涉及到热量传递的基本方式，包括热传导、热对流和热辐射。这些方式决定了热量在不同物质和环境下如何传递。例如，导热系数反映了物质的导热能力，而热阻则是在热量传输过程中遇到的阻力。这些概念在设计和优化热性能时非常重要。
此外，热仿真的应用步骤包括建立模型、划分网格、设置边界条件和载荷，然后进行仿真计算，并对结果进行后处理，如读取、分析和可视化等操作。这一过程可以帮助评估产品的性能并进行优化，广泛应用于机械制造、航空航天、电子电器等多个行业。
03热仿真分析步骤
建模：
在前处理器（如ANSYS的PREP7）中定义单元类型、单元选项、实常数、材料性能参数，并创建几何模型和划分网格。这包括确定Jobname、Title、Unit，进入PREP7前处理定义单元类型和设定单元选项，定义单元实常数，定义材料热性能参数（对于稳态传热，通常只需定义导热系数），以及创建几何模型并划分网格。
施加荷载并计算：
在求解模块（如ANSYS的SOLU）中进行，包括定义分析类型（如进行稳态传热分析时，选择Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis →Steady-state），施加载荷（如恒定温度或热流率），并确定分析选项。对于恒定温度，作为自由度约束施加于温度已知的边界上；对于热流率，作为节点集中载荷施加，主要用于线单元模型中，代表热流流入节点，即单元获取热量。
求解处理：
完成建模和施加载荷后，进行求解计算。这一步涉及到使用仿真软件的各种功能，如向导、项目树、分析树等，有条不紊地完成仿真分析任务。例如，在FloEFD中，通过向导设置窗口进行基础设置，帮助使用者完成仿真分析。
结果分析与优化：
根据仿真结果，对模型进行优化，如调整散热器散热片的大小，以确保温度符合安全要求。这一步可能涉及到多次迭代和调整，直到达到理想的仿真结果。
04热仿真分析改善方案
希望通过热设计改善三个方面：
1.热功率转换率提高
2.降低外壳温度
3.放原料地方的热均匀性
优化散热设计：
在电子产品散热设计中，使用金属网格可以显著提高热均匀性，比如通过CAE仿真评估设计优化，比如通过温度云图对比，加金属网格的热均匀性比无金属网格的好。
对于PCB散热，可以采用多种解决方法，例如使用TEC（热电冷却器）提供准确的温度控制和更快的响应，可以将TEC与空气冷却或液体冷却技术结合使用，以扩展高功率耗散处理器的传统空气冷却限制。
在IGBT功率模块热管理中，使用蒸汽室（vapour chamber, VC）取代金属基板集成于DBC与散热器之间，消除了模块与散热器连接的接触热阻，大大增强了IGBT模块的散热效果。
采用先进的散热技术：
通过提高板片表面换热系数，如通过使用具有高表面换热系数的波纹换热板片，能提高整体换热效率。
减少表面热阻，通过监测介质成分和防止结垢来降低传热系数，保持换热器的高效运行。
通过材料和结构的改进：
在能够满足承压的前提下，尽可能选择较小的板片厚度，因为较厚的板片会影响一小部分传热。
05热仿真在产品设计中的实例应用
电子产品散热设计：在电子产品的设计中，热仿真被广泛应用于评估产品的散热性能。例如，通过研究散热片的参数（如翅片个数和高度）对CPU和变压器温度的影响，可以优化电子机箱的风冷和自然冷却设计1。此外，对于PCB板的设计，通过仿真分析铜层厚度对温度的影响，可以优化PCB板的热管理，提高电子产品的稳定性和可靠性。
汽车制造：在汽车制造领域，热仿真用于评估引擎在高温条件下的工作表现，确保引擎的稳定性和耐久性。例如，通过模拟汽车引擎在不同工况下的温度分布，可以优化冷却系统的设计，提高汽车的性能和安全性。
航空航天：在航空航天领域，热仿真分析航天器在大气层再入时的热耐受能力，保障航天任务的安全顺利进行。通过模拟航天器在极端条件下的温度分布和热传导过程，可以优化航天器的热防护系统。
建筑设计：在建筑设计中，热仿真分析为建筑设计提供了新的视角。通过模拟建筑在不同气候条件下的温度分布和热量传递过程，可以优化建筑的材料选择和结构设计，提高建筑的能效和舒适度。
热固耦合和热电耦合分析：随着产品设计的高度集成，热管理成为影响模块稳定性的主要因素之一。通过进行热固耦合和热电耦合分析，可以预测产品在复杂工作环境下的性能表现，优化产品设计。
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