电子设备散热分析：数字孪生与CFD降阶方法

本文介绍了联合利用ANSYS Fluent和ANSYS Twin Builder建立液冷板散热ROM和温度场Static ROM的过程，实现了三维CFD仿真降阶为一维数学模型(ROM)，为建立液冷板散热模型创建了基本的仿真计算数学模型，从而提升了数字孪生的应用价值和工作效率。

数字孪生体是现有或将有的物理实体对象的数字模型，通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态，通过优化和指令来调控物理实体对象的行为，通过相关数字模型间的相互学习来进化自身，同时改进利益相关方在物理实体对象生命周期内的决策。

通过数字孪生体模型，可以实现全面监控系统的关键参数，分析系统在非常规条件下的各种性能。利用数字孪生体模型进行虚拟化测试，缩短了测试和分析的时间，降低了测试和分析的成本，并可以根据虚拟化测试结果优化试验参数。

然而，传统的三维CAD仿真时间较长，无法对不同输入载荷（或边界条件）提供快速的模拟结果，导致数字孪生的时效性大打折扣。为此，我们提出了降阶模型（ROM）的工作思路，将本应数十分钟甚至上百小时的CFD仿真流程简化，进化为秒级（甚至毫秒级别）的响应效率，从而为数字孪生技术提供高效实时的虚拟映射结果。

图1三维CFD降阶模型技术路线图

电子设备散热模拟中降阶模型的技术路线

电机中的定子电磁噪声主要受两方面的因素影响，电磁激振力和相应激振力引起的结构响应及声辐射，以下对引起噪声的定子电磁力的解析表达及相应的振动和声辐射的研究情况进行综述。

依据图1中的技术路线，首先将液冷设备的三维CAD模型进行修复和简化，随后抽取流体区域并设定边界命名。这一部分前处理工作与常见的CFD电子散热仿真没有任何区别。值得一提的是，静态降阶模型（Dynamic ROM）也可以使用CAD模型特征（如零件尺寸、布局、阵列数量等）作为初始输入参数，但是会增加计算的规模，不做讨论。

图2 液冷板的几何模型与网格情况

随后划分网格并导入到Fluent中进行边界条件与物理模型设定。目前的ANSYS CFD静态三维降阶模型只能通过单独打开的Fluent软件来构建训练数据，因此还不支持通过Workbench进行集成仿真分析。

训练数据的生成方法

设定好Fluent计算案例后，我们需要通过新增的ROM技术来完成训练数据的选择和生成。主要需要以下三个步骤：

①选择输入变量，此部分内容必须从已有的自定义参数中选择。

②选择输出变量，选择输出的场数据，分别选择对应的边界名称（面边界或计算域均可）和变量。

③输入训练数据生成点，需要分别指定每个工况下，所有输入参数的取值，以及迭代步数等内容。需要注意的是，数据点的分布需要通过ANSYS Design Xplorer或者Optislang来生成。

图3 输入参数的选择

图4 输出变量及边界的选择

图5 设计点参数指定及迭代步数输入

设置完成后，我们可以选择保存训练数据的设置内容，方便以后的重复调用，当然，我们也可以直接开始求解计算。

图6 保存与调用训练数据的界面与方法

计算完毕后，我们在工作目录中可以获得训练数据文件，包含输出变量的网格节点信息、DOE实验点数据分布以及每个工况的结果文件，即*.bin文件。

通过训练数据生成降阶模及ROM的应用（后处理展示）

在获取了完整的训练数据之后，我们可以使用ANSYS Twin Builder中的Static ROM来获取降阶模型。主要步骤包括以下四点：

①读入已有的*.bin训练数据，注意此处只能选择一种变量生成模型，在通常CFD仿真中，一般选择温度、速度或对流换热系数等结果。

②选择一定比例（默认是50%）的训练数据来生成降阶模型，其余未被选中的数据用来验证降解模型的精度。对于不同数据的误差，可以通过直观的云图来展示其差异。

图8 训练数据与ROM结果对比

③储存该降解模型为*.rom格式的文件，该文件后续可以应用在ANSYS Twin Builder软件中，降阶模型文件是数字孪生技术中的重要组成部分。

④通过Viewer来展示ROM的结果，如下图所示，当用户在给定的范围内调整输入参数时，右侧的图形界面会实时更新结果分布云图，从而实现数字孪生技术的快速响应。

图9 降阶模型的应用与展示

小结

本文介绍了联合利用ANSYS Fluent和ANSYS Twin Builder建立液冷板散热ROM和温度场Static ROM的过程，实现了三维CFD仿真降阶为一维数学模型(ROM)，为建立液冷板散热模型创建了基本的仿真计算数学模型，从而提升了数字孪生的应用价值和工作效率。

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