【AICFD案例教程】IGBT对流换热分析

AICFD是由天洑软件自主研发的通用智能热流体仿真软件，用于高效解决能源动力、船舶海洋、电子设备和车辆运载等领域复杂的流动和传热问题。软件涵盖了从建模、仿真到结果处理完整仿真分析流程，帮助工业企业建立设计、仿真和优化相结合的一体化流程，提高企业研发效率。

1）案例描述

本案例针对功率模块进行流热固耦合仿真。

① 模型简化：选取整个模型1/6，基板下侧增加水冷盘管和水路；

② 载荷：考虑芯片(每块体积为25.35 mm^3)的产生的焦耳热，总功耗均分到每个芯片中，施加体积热源。案例最后可查看温度分布和速度流线图。

2）网格

一阶四面体网格，单元数8779036，节点数2233260。

图1-1 网格模型

1）新建工程

① 启动AICFD 2023R2；

② 选择 文件>新建，新建工程，选择工程文件路径，设置工程文件名，点击“确定”。

图2-1 AICFD窗口

图2-2 新建工程

2）网格导入

单击菜单栏网格>导入网格，导入外部生成的计算域网格。

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图2-3  网格导入

3）网格质量检查

单击菜单栏 网格>网格质量，检查网格质量。

图2-4 网格质量检查

1）求解模型

双击 求解>求解模型，设置湍流模型。本案例为稳态计算，采用不可压缩流，湍流模型采用Standardk-epsilon模型。

图3-1  模型设置

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图3-2 材料选择

右击 材料>添加材料，MaterialType选择Solid，新建材料，修改介质物性参数，如图3-3所示；

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图3-3 材料选择

2）计算域

① 双击 求解> 流动分析> 计算域> Domain-AL1_1_1_MATPOINT，在计算域设置窗口中类型选择“Solid Domain”，材料选择“Aluminum”，然后点击“下一步”，在打开的流体模型窗口点击“确定”，将网格分配到计算域；

② 同上设置Domain-AL2_2_1_MATPOINT、Domain-AL3_1_3_1_MATPOINT、Domain-AL4_1_1_1_MATPOINT、Domain-AL5_1_19_1_MATPOINT、Domain-AL6_1_27_1_MATPOINT、Domain-PIPE-CU_43_1_MATPOINT；

③ 双击 求解> 流动分析> 计算域> Domain-BASEPLATE-CU_35_1_MATPOINT，在计算域设置窗口中类型选择“Solid Domain”，材料选择“Copper”，然后点击“下一步”，在打开的流体模型窗口点击“确定”，将网格分配到计算域；

④ 同上设置Domain-CU1-1_36_1_MATPOINT、Domain-CU1-2_37_1_MATPOINT、Domain-CU1-3_38_1_MATPOINT、Domain-CU1-4_39_1_MATPOINT、Domain-CU1-5_40_1_MATPOINT、Domain-CU2_41_1_MATPOINT；

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图3-5 分配计算域

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图3-6 分配计算域

⑥ 双击求解>流动分析>计算域>DIODE1_44_1_MATPOINT，在计算域设置窗口中类型选择“SolidDomain”，材料选择“SI”，然后点击“下一步”，在打开的流体模型窗口点击“确定”，将网格分配到计算域；

⑦ 同上设置Domain-DIODE2_45_1_MATPOINT、Domain-IGBT3_46_1_MATPOINT、Domain-IGBT4_47_1_MATPOINT、Domain-IGBT5_48_1_MATPOINT、Domain-IGBT6_49_1_MATPOINT；

⑧ 双击 求解>流动分析>计算域>Domain-FLUID-WATER，在计算域设置窗口中类型选择“FluidDomain”，材料选择“Water”，然后点击“下一步”，在打开的流体模型窗口点击“确定”，将网格分配到计算域；

图3-8  分配计算域

3）边界条件

分别设置Inlet和Outlet，需要分别设置边界名称、边界类型、边界条件和数值，如图所示；

图3-9  入口定义

图3-10  出口定义

图3-11  壁面定义

4）求解参数设置

双击求解>流动分析>交界面>Interfaces，查看自动识别的交界面。

图3-12  交界面设置

右击 求解> 流动分析> 热模型，单击 插入对象> 热源，设置6个热源；

图3-13 热源设置

右击 求解> 流动分析> 热模型，单击 插入对象> 热源，设置6个热源；

图3-14 热源设置

双击 求解>求解设置，设置计算方法，包括差分方法等；

图3-15 求解参数设置

双击 求解>求解控制，设置求解器启停条件，迭代步数等；

图3-16  求解参数设置

1）残差曲线与监控变量

双击 监控>残差曲线，选择查看监控曲线。

图4-1 监控曲线选择

2）初始流场设置

① 双击 求解>初始化，设置初始流场；

② 选择菜单栏 求解>初始化，初始化流场。

图4-2  初始化设置

图4-3  初始化流场

3）求解计算

选择菜单栏 求解>求解>直接求解>串行，开始计算。

图4-4  运行求解器

图4-5  选择求解模式

1）监控曲线

查看残差曲线。

图5-1  残差曲线

2）求解结果更新及导入

单击菜单栏 求解>可视化结果，实现可视化求解结果更新，现版本计算完成后自动进行可视化求解结果。

图5-2  结果更新

3）可视化结果

① 压力云图

单击菜单栏后处理>云图，选取位置域和变量参数，设置等级参数256，点击应用，读取温度云图，可以看出芯片最高温度可达342K，水冷管入口流体温度在295K。

图5-3 温度云图

② 速度流线图

单击菜单栏后处理>流线图，设置管道流场速度流线图，可以看到流体流向，流体沿水冷管流动，最高速度可达9.86m/s。

图5-4 流线图