Posted by 本文由 简悦 SimpRead 转码， 原文地址 mp.weixin.qq.com
最近的你是不是有同样的感受
那就是
热热热！
其实产品和我们人一样，也是怕 “热” 的。比如我们身边常见的手机、电脑、冰箱、汽车等等。如果在产品设计之初没考虑到，则会出现散热不均，过热等问题，轻则影响产品使用，重则会出现安全事故。
那么重点来了！产品设计之初是如何进行热设计，这就涉及到我们常说的热仿真分析。今天这篇文章将给你讲明白什么是热仿真分析，通过实例告诉你热仿真在产品设计中是如何应用的。
01
什么是热仿真？
热仿真是通过建立数学模型，模拟物体或系统在加热或冷却过程中的温度分布和热传递现象，从而预测和分析其热行为。这种技术基于流体力学和传热学的基本物理定律，通过数值计算和图像显示等方法来评估和优化热设计方案。
02
热仿真原理
热仿真的本质是求解一系列方程组，这些方程组根据质量守恒定律、动量守恒定理和能量守恒定律推导出来。具体来说，仿真软件将连续空间划分为许多小块，每个小块相当于一个控制体，控制体内的质量增加率等于流入质量速率减去流出质量速率。同样地，动量的增加率等于动量的流入减去动量的流出再加上净力。而内部能量变化率则等于流入热量加上流入的总焓减去输出功和流出的总焓。
在仿真过程中，软件会先将整个产品求解区域割裂成多个控制体，然后在相邻控制体之间构建耦合关系。求解时，软件依据初始化的数值进行耦合计算，物理量在满足上述定律的前提下逐个传递，当传递至边界时，利用已知的边界条件校验数值误差并调整初值，直至计算结果收敛。
此外，热仿真还涉及到热量传递的三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。这些传递方式分别对应不同的仿真方法和应用场景，如电子设备内部的热传导、汽车工程中的流体流动仿真和建筑设计中的热辐射仿真。
03
热仿真分析步骤
热仿真分析流程包括多个步骤，从建模、设定参数、划分网格到求解计算和结果输出等。具体介绍如下：
步骤一
建模
建模有两种方法，一种是使用 FLoMCAD 将外部模型导入 Flotherm 中，适用于复杂模型的建模；另一种方法是使用 Flotherm 主界面的智能元件进行建模，这种方法建立的模型在后期的材料及功耗赋予和网格划分时更加方便。
步骤二
输入参数
输入参数包括材料参数、功耗参数和环境参数。对于材料参数，可以建立一个 Assembly，将相同材料的器件放在同一个 Assembly 里面，只需设定材料参数即可；功耗参数需要单独设置，而环境参数可以直接选用 Flotherm 库中的不同海拔和温度的参数。
步骤三
划分网格
划分网格是决定仿真准确性的关键步骤。可以使用 Flotherm 中的 Volume Region 进行合理的局域化网格划分，使得重点区域的网格更密，从而减少计算量并提高精度。
步骤四
求解计算
求解计算的时间取决于网格数量和电脑性能。通过优化网格减少网格数量可以有效缩短计算时间。
步骤五
输出结果
输出结果包括温度、速度、压力、粒子流等数据。在 Flotherm 中，可以使用 EV 录屏等第三方软件来生成任意时长的视频输出。
步骤六
优化方案
在分析了仿真结果后，通常需要进行一些优化，如散热器齿片的优化或更换风扇等。在 Flotherm 的 Command Center 模块中，可以快速修改参数并进行多方案计算，以减少优化阶段所需时间。
04
热仿真对热设计的指导，主要体现在以下方面：
- 确定散热方式是否合理
- 对不同的散热方案进行筛选，选取最优的散热方案
- 优化结构
- 散热部件的选型，比如风扇，热管，散热器等
05
热分析案例解析
仿真前的几点说明
为减少网格数，对原几何模型进行了适当的简化，简化了与散热无关的特征。
对一些曲线和曲面的特征，利用等体积或等面积的方法转换成等效的直线和平面的特征。
本案例重点考虑了 Heater 的功耗，其他器件暂没考虑。
本案例是在环温 25℃下进行仿真计算。
仿真热模型
希望通过热设计改善以下三个方面：
A、热功率转换率提高
B、降低外壳温度
C、放原料地方的热均匀性
需求 A 的解决方案
为了提高热转换效率，通常从以下几方面考虑：
选取热转换效率比较高的发热元器件，客户可以根据其供应商提供的参数进行比较。
对发热区（heater）进行隔热保温，减少热量向其他地方传播的损失，原设计中已有玻璃管进行隔热。
减少发热元器件 Heater 到金属网之间的热阻。
a. 增大两者的接触面积
b. 增强两者的紧密度
c. 选取导热系数比较高的材料（比如铜等，但可能成本增加)
需求 B 的解决方案
设置 T=260C，且在 F1 下。通过仿真得知，表面最高温度为 28.3C， 此时金属网的温度为 194.5C。如果在 F2，F3 状态下表面和金属网温度会更低。
综上所述，在设置 T=260C，且在 F0，F1，F2，F3 状态下，壳温并不是很高。
需求 C 的解决方案
由于空气的导热系数比较低，金属网表面空气的温度梯度比较大，热量不均匀。为解决这个问题，可以在其表面放置一个有一定高度的金属网格（以下为本案例使用的不锈钢网格形状）。
从温度云图对比来看，加金属网格的热均匀性比无金属网格的好。
这只是热仿真如何帮助设计人员或工程师使用仿真评估其优化设计的一个很小应用案例，热仿真分析已经是一项很成熟的技术，在众多行业被广泛应用。如果你还有热仿真相关的问题，可直接咨询我们。