克服灼热考验

所有产品和流程都存在一个热舒适区，即能实现最高运行效率的温度范围。无论此温度是处于极冷区（例如由液氮冷却的仪器）还是靠近极热区（比如燃气轮机燃烧室内部），了解产品的最高效工作温度对您的设计工作都至关重要。工程仿真能够为您提供实现热敏感设备的最高效设计与运行所需的知识。

许多产品在正常运行过程中都会产生热量。有时，为了防止损坏，必须排出热量，而有时为了正常运行，则要保持热量充足。热管理是针对特定应用以最高效方式进行热量处理的科学。

装备与设备的温度管控在众多行业都至关重要，例如航空航天（卫星、防结冰系统、涡轮机）、汽车（尾气系统、传动系统、盘式制动器）、消费品（电器、移动与可穿戴设备）、电子产品（显卡、焊点、计算机）以及工艺设备（管线、锅炉、冷凝器）等，不胜枚举。

若热量管理方法不得当就会付出昂贵的代价，有可能导致能源利用效率低下、性能不佳乃至设备故障，并且会给附近的工作人员带来安全与健康隐患。最佳性能可能与保持一定温度以维持化学反应密不可分，也可能需要避免达到使材料变得易碎的温度。与可保持预期形状的叶片相比，会因热效应而变形的涡轮机叶片的运行效率更低。热循环导致的重复热变形会造成管线、罐体和其他容器的破裂、泄漏或彻底失效。热效应和变形预测是确保设备安全和高效性能的关键。

在本期《ANSYS Advantage》中，我们刊载了Aavid Thermalloy公司总裁兼首席执行官Alan Wong的专访。该公司负责设计适用于众多消费产品的热管理解决方案，广泛应用于台式机、笔记本、打印机、游戏机等个人计算产品以及服务器、网络设备、仪器与消费电子产品。关于Alan Wong对热管理领域的真知灼见，请参阅Cooling Trend。

仿真解决方案

工程仿真对众多产品与流程热效应的预测至关重要。对于不太复杂的系统来说，单物理场模型就足以胜任。例如，Nebia公司的工程师采用ANSYS流体力学软件对其革命性节水淋浴头产生的微滴喷雾进行了仿真。微滴会过快地释放热量，不过Nebia工程师采用ANSYS热建模找到了可让客户享受热水澡的方法。关于该公司报道，请参见Full Steam Ahead。

同样，Mechanical Solutions公司和普渡大学的研究人员采用ANSYS CFD仿真技术对全新的涡轮叶片冷却通道几何结构进行了评估，最终研发出性能优于现有设计方案的创新几何结构。更多内容，请参见Weaving In and Out。

由于结点位于芯片的内部，因而其温度无法通过物理方式测量，而杜邦公司的工程师采用ANSYS仿真技术能够准确获得 LED 的结温。这样，他们就能针对具有各种配置需求的照明制造商制定相应的指导方针，从而研发可靠的LED衬底。如欲进一步了解相关成果，请参见Lighting the Way。

因此单物理场解决方案可以解决某些热管理难题。不过，大部分热管理问题既不会孤立出现，也不会完全体现在单一学科中，因而往往需要采用多物理场解决方案。

由于有助于降低缸内温度，废气再循环(EGR)冷却器能够减少发动机排放。EGR效果受限于由复杂物理相互作用产生的周期性热与机械荷载造成的热机械疲劳。采用基于集成平台的多物理场仿真，工程师能够在研发前期可靠地设计此关键发动机组件。

从可靠的单物理场求解器入手

幸运的是，从单物理场仿真扩展到多物理场功能，可以深度掌握热管理信息，这一过程直截了当、简单易行，哪怕您以前从未接触过多物理场也无妨。功能强大的单物理场求解器至关重要。正如链条的强度取决于其最脆弱的环节，多物理场仿真的强度也同样取决于其最弱求解器。那么，为何不对仿真的每个步骤都采用最强大可用的求解器呢？历史已经证明，众多行业对复杂应用的仿真都需要高深物理场，而ANSYS则拥有业界一流的物理场求解器，能够充分满足流体、热、结构与电子产品领域的需求。

大部分热管理问题既不会孤立出现，也不会完全体现在单一学科中，因而往往需要采用多物理场解决方案。

增加自动多物理场仿真平台

借助ANSYS Workbench，多物理场的自动设置与工作流可帮助您快速、自动执行多物理场仿真。Workbench可帮助您通过简单的拖放功能、以图形方式连接单物理场求解器，从而执行多物理场仿真。可视化工作流程能够帮助您在开始仿真之前即确定流程的可行性。一旦在Workbench中完成连接，则所有仿真都可以共享通用工具，例如几何结构、网格剖分、参数化和后处理等。

但是，毋庸置疑，ANSYS Multiphysics的真正强大之处在于，其自动数据交换和求解器协调能够对多物理场仿真进行优化。Workbench可以采用您已经建立的连接，在不同物理场创建的网格之间执行快速、准确、自动的数据交换，同时，为了实现顺利的耦合仿真，还可对求解器进行协调。另外，现在既无需运行单物理场仿真也无必将数据手动传输到下一个求解器，这样大幅节约了时间与金钱，同时还能降低操作员发生错误的风险。

翅管式紧凑型热交换器(FTCHE)常用于空调系统、汽车冷却系统及其他热工程应用。为提高效率，采用ANSYS Fluent可在适度压力损失情况下（与此前的技术相比）增加热传递。

显然，ANSYS Multiphysics的真正强大之处在于，其自动数据交换和求解器协调能够对多物理场仿真进行优化。

选择单向或双向多物理场仿真

根据用户按照需要解决的问题的复杂性，多物理场连接有两个可选形式：单向数据传输与双向协同仿真。单向顺序仿真能够将温度和热传递系数从一个仿真传输到另一个仿真，比如：从流体到结构仿真。这适用于流体流动对结构有影响的情况，反之则不可行。这时应首先执行CFD仿真，相关结果将被自动传输至结构仿真求解器。结构求解器计算完成后，多物理场仿真结束，然后该结果将用于为相关设备的设计提供信息。

双向耦合分析更加复杂，而且占用大量资源。该分析涉及计算结果在两个求解器之间的来回传输，而且适用于流体影响结构，同时结构变化又影响流体的情况。与单向仿真一样，工程师不但能够从温度与热传递系数数据的自动传输中受益，而且也能从网格变形的相关信息获得优势。此外，工程师还可从高级求解器的协调功能受益匪浅。

采用单物理场或多物理场解决方案的工程仿真对解决热设计难题至关重要。

单向多物理场解决方案

对于热管理，许多工程师都会从扩展后的单求解器功能入手。他们可以通过使用产品之间的单向耦合深入了解更多信息，留待真正需要紧密耦合的复杂分析时再使用双向耦合仿真。

汽车电子系统制造商Kyungshin采用单向ANSYS多物理场仿真改进了智能PCB连接点的热管理。他们首先采用ANSYS SIwave，根据电流密度和功率耗散预测可能产生高温的位置。为了确定PCB过热的位置，可将这些结果自动馈送至ANSYS Icepak。更多详情，敬请参见Keeping the Block Cool。

同样，天津大学和普渡大学的研究人员将ANSYS Simplorer的PID控制器仿真与ANSYS Fluent的热求解器进行了耦合，成功研发出可确保飞机乘客舒适性的更高效环境控制系统(ECS)。详情请Climate Control Gets Elevated。

双向多物理场解决方案

在进行双向热管理仿真期间，数据会多次从一个求解器传输到另一个求解器。流场的热特性可能会不断变化，因此需要考虑的是这些变化对相邻结构温度的影响。或者，热量可能由固体产生，因此您需要考虑周边流体消除热量的速度。

本期介绍了ANSYS开展的一项研究，该研究旨在对承受热荷载情况下PCB的弯曲和动力进行预测。此项工作的重点是ANSYS SIwave与ANSYS Icepak之间的双向多物理场工作流。

图片由Parker Aerospace提供。 采用ANSYS CFD对CNG车用调压器天然气膨胀进行全面的共轭热传递分析

结论

热管理对于当今正处于研发中的大部分产品与流程都是一个挑战。正如本期所指出的重点，采用单物理场或多物理场解决方案的工程仿真对解决这些设计难题至关重要，而ANSYS将在研发的征途上与您一路相伴，形影不离。

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