如何基于传热场景选择 SOLIDWORKS 热求解器

选用 SOLIDWORKS Simulation 热求解器开展传热研究，通常需要理解三种传热模式。您必须能够选择实体间的热传导、流体对流以及向系统内的辐射发射。要对此类相互作用进行精确建模以验证设计，您需要掌握材料、气流、热载荷以及热阻对计算结果产生的影响。

传热研究的求解器选项

在开展传热仿真时，使用 SOLIDWORKS Flow Simulation 这款计算流体动力学（CFD）求解器，能够得到与真实工况最贴近的仿真结果。

但对于纯传导类研究，不存在对流机制或仅存在可忽略的少量对流效应时，采用 SOLIDWORKS Simulation 有限元分析（FEA）求解器即可满足需求。

在电气元器件上使用热求解器

共轭传热是同时对固体内部热传导与流体热对流进行建模，在两个域内同步求解温度场。辐射也可以添加并耦合到该计算过程中。

您需要分清哪些场景可以安全地做出假设与简化，哪些场景必须使用真正的共轭传热工具。

理解 SOLIDWORKS Simulation 中的热传导

热传导是固体与流体中最基础的传热形式之一，当材料内部存在温差时就会发生。热能通过材料内部结构从高温区域向低温区域传递。

SOLIDWORKS Simulation Professional 求解热传导问题的方式，与软件求解线性结构分析问题的方式类似。在结构分析中，程序先求解位移，之后再推导出应变与应力。有限元分析能够简洁高效地处理这类物理场，因此该软件非常适合处理简单的热传导问题。

SOLIDWORKS Simulation Professional 结果说明

当您运行一项热力研究时，需要查看的不只是零件何处升温。您还需要理解升温原因以及散热方案。想要解答这些问题，往往需要对对流和辐射进行建模，因此纯传导研究仅适用于对流、辐射效应可以安全忽略或简化的场景。

SOLIDWORKS 热求解器对比

为对比两款求解器处理以传导为主问题的差异，本文以 LED 灯组件为例，模型包含印制电路板（PCB）、紧固件以及散热器。

SOLIDWORKS Simulation Professional 与 SOLIDWORKS Flow Simulation 材料

不出所料，两款软件得到的温度结果基本一致，存在的微小差异主要来自材料属性的细微差别与网格划分方法。SOLIDWORKS Simulation Professional 的材料数据库与 SOLIDWORKS 模型的材料库共用，提升一致性。

SOLIDWORKS Flow Simulation

使用 SOLIDWORKS Flow Simulation，您可以对材料库实现更高自由度的管控，支持随温度变化的材料属性。这让您可以对电气元器件（如 PCB 板、界面材料以及 LED 灯所含硅材料）实现更精细的控制。

软件还提供面向电子行业的专用工具，可计入 PCB 内部的电阻属性与金属层。

SOLIDWORKS Simulation

在 SOLIDWORKS Simulation Professional 中，需要做出若干假设，这些假设会影响传热研究的有效性。

需要为模型的各个表面分配对流系数，用于自然对流场景（气流变化较小、环境流体温度稳定）。

对流系数数值通过手工计算或采用对应材料的通用默认值获取。

SOLIDWORKS Simulation Professional 传热结果

受实体几何网格划分规则限制，有限元分析无法求解速度、湍流这类流场信息，但可以对固体内部的传导现象进行深度可视化。

什么时候选用 FEA 开展热力分析？

多种场景下，您适合使用 SOLIDWORKS Simulation Professional 完成分析：

- 真空环境系统，对流效应基本可以忽略。

- 无风扇、风力、内部流体流动等强制对流的系统。

- 处于设计早期阶段，仅需要一系列近似研究来校验不同迭代版本。

- 已通过物理测试获取对流系数精细实测数据的系统。

- 对流效应微弱，且结构热应力测试为首要目标的系统。

虽然这份清单无法覆盖全部应用细节，但可作为判断使用 SOLIDWORKS Simulation Professional 有限元热力分析方案是否够用的良好起点。

超越热传导的仿真场景

很多客户使用 SOLIDWORKS Simulation 就可以获取所需结果，但在部分边界场景或深度验证系统时，则需要更进一步的分析。高级电子散热验证、人体舒适度参数计算超出 SOLIDWORKS Simulation 的能力范围。

这类场景下，需要选用合适的工具并配套对应的专业培训。SOLIDWORKS Flow Simulation 拥有附加插件包，即便最复杂的系统配置也能够实现精确仿真。