1.概述

由于电力电子设备系统和元器件发展比较晚，所有相关的热设计都是先在其他行业中采用后再引入到电力电子行业中。信息电子行业的电子元器件及其设备的热设计软件是目前电力电子热设计的主要依据。其专用软件包括FloTHERM、FloEFD、Icepak等。但是由于热设计是一个系统要求，根据不同的要求、不同的领域可以采用不同的软件。化工行业的软件系统模拟软件ASPAEN Plus和PROII对化工流体系统模拟有众多的描述。文献对一般的换热系统的仿真模拟进行了描述，并介绍了采用CFD软件、Fortran、MATLAB、TRNSYS等仿真计算方式对换热系统进行的仿真［112］。从目前的软件来看，CFD软件有效地解决了元器件散热的设计，结合机械设计软件，CFD软件也对换热设备也有良好的模拟仿真效果和案例。截至2015年底，从CNKI网站上查询CFD软件的文献超过三万多条，其中2013～2015年三年中超过一万多条，意味着目前CFD软件在蓬勃的发展。

进行热仿真设计，既可以采用编程语言如Fortran、也可以采用专用软件如Icepak、Flo-THERM等软件进行处理，还可以采用通用软件如ANSYS软件进行热设计。热处理元件有不同领域中的模拟仿真，本书主要以热流体仿真作为重点。

热仿真属于热设计上游工作，根据热仿真制定的散热方案基本确定产品散热能力、热设计水平及后续升级扩容能力［113］。

2.CFD软件介绍

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的新兴科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。

计算流体力学和相关的计算传热学、计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。

CFD软件是目前国际上一个强有力的研究工具，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC＆R等诸多工程领域，板翅式换热器设计是CFD技术应用的重要领域之一。

CFD在最近20年中得到飞速的发展，除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外，还主要因为实物分析的方法或实验的方法都有较大的限制，例如由于问题的复杂性，既无法作分析解，也因费用昂贵而无力进行实验确定，而CFD的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围，减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验，历史上也曾有过首先由CFD数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等。对每一种物理问题的流动特点，都有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省去了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。

CFD软件的一般结构由前处理、求解器和后处理三部分组成。前处理、求解器及后处理三大模块，各有其独特的作用，见表5－1。

表5－1 CFD软件的一般结构及作用

目前较为流行的电子元器件热仿真软件有Icepak、FloTHERM等，其他常见的CFD软件有CFX、Fluent、Phoenics、Star－CD、CFdesign、6SigmaDC等，除了Fluent、CFdesign是美国公司的软件外，其他几个都是英国公司的产品。

TRNSYS可以用于暖通空调节能建筑进行一维系统仿真设计，其同样也可以进行电力电子液冷技术的设计。

早期热仿真软件分别由不同的公司开发，但是近来发展为合并和重组，其中最为著名的案例为ANSYS公司。ANSYS软件早期为火箭做应力分析，但是在其先后收购了CFX软件、Fluent软件后，才彻底从事CFD模拟。

（1）CFX

CFX由英国AEA公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。其优势在于处理流动物理现象简单而几何形状复杂的问题；适用于直角／柱面／旋转坐标系、稳态／非稳态流动、瞬态／滑移网格、不可压缩／弱可压缩／可压缩流体、浮力流、多相流、非牛顿流体、化学反应、燃烧、NOx生成、辐射、多孔介质及混合传热过程。CFX采用有限元法，自动时间步长控制，SIMPLE算法，代数多网格、ICCG、Line、Stone和BlockStone解法。它在2005年加盟ANSYS，成为ANSYS家族中一员。ANSYS－CFX 16.0界面如图5－2所示。

图5－2 NSYS－CFX 16.0界面

（2）Fluent(www.daowen.com)

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60％，但凡与流体、热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。它在石油天然气工业上的应用包括燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散／聚积、多相流、管道流动等。它在2006年加盟ANSYS，成为ANSYS家族中一员。ANSYS－Fluent 16.0界面如图5－3所示。

图5－3 ANSYS－Fluent 16.0界面

（3）FloEFD

FloEFD是CFD的新分支———同步CFD的应用产品。FloEFD是无缝集成于主流三维CAD软件中的高度工程化的通用流体传热分析软件，它基于当今主流CFD软件都广泛采用的有限体积法（FVM）开发，FloEFD完全支持直接导入Pro／E、Catia、Solidworks、UGS－NX、Inventor等所有主流三维CAD模型，并可以导入Parasolid、IGES、STEP、ASIC、VDAFS、WRML、STL、IDF、DXF、DWG等格式的模型文件。

同步CFD是一项突破性技术，使得设计工程师能在整个产品生命周期，在他们熟悉的MCAD界面下，执行前端和同步CFD分析，从而缩短设计时间，与传统方法和产品相比，缩短时间以数量级计。与传统CFD工具相比，同步CFD能缩短高达65％～75％的时间，方便用户优化产品性能和可靠性，同时减少实验样品和研发成本，消除由交货期或产品质量问题引起的损失。

（4）PHOENICS

PHOENICS是Parabolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series几个字母的缩写，是世界上第一套计算流体与计算传热学的商业软件。这意味着只要有流动和传热都可以使用PHOENICS来模拟计算。除了通用计算流体／计算传热学软件应该拥有的功能外，PHOENICS有着自己独特的功能。

PHOENICS的开放性很好，提供对软件现有模型进行修改、增加新模型的功能和接口，可以用Fortran语言进行二次开发。

（5）STAR－CD

STAR－CD的创始人之一Gosman与Phoenics的创始人Spalding都是英国伦敦大学同一教研室的教授。STAR是Simulation of Turbulent flow in Arbitrary Region的缩写，CD是Compu-tational Dynamics Ltd的缩写。它是基于有限容积法的通用流体计算软件，在网格生成方面，采用非结构化网格，单元体可为六面体、四面体、三角形界面的棱柱、金字塔形的锥体以及六种形状的多面体，还可与CAD、CAE软件接口，如ANSYS、IDEAS、NASTRAN、PAT-RAN、ICEMCFD、GRIDGEN等，这使STAR－CD在适应复杂区域方面具有特别优势。STAR－CD的强项在于汽车工业，汽车发动机内的流动和传热设计。

（6）电子系统的两个软件FLoTHERM和ANSYS Icepak

FLoTHERM是一套由英国Mentor Graphics软件公司开发并广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件，全球排名第一且市场占有率高达80％以上。

Icepak软件是由计算流体力学软件提供商Fluent公司，专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件。Fluent公司并入ANSYS，Icepak自然汇入了ANSYS成为ANSYS Icepak。ANSYS Icepak和FloTHERM的对比见表5－2。

表5－2 ANSYS Icepak和FloTHERM对比

（续）

从FloTHERM发展来看，FloTHERM一度占据电力电子市场份额超过半壁江山，但是随着Icepak并入ANSYS发挥出更多的衔接功能，其发展趋势大有超越FloTHERM之势。虽然软件皆有CAD接口功能，但Icepak提供最好的选择，可在保留电子产品设计时的复杂几何模型下做自动简化，也可自动将CAD模型转换成Icepak的对象模型，以便于网格最佳化控制及增进求解速度，同时Icepak提供的与EDA软件的接口，使得工程师可以准确快速地模拟仿真。Icepak可以在Ansys Workbench平台下，根据工作流程，顺利将计算结果传递给ANSYS做应力变形分析。