第 1 课Internal 模式流体分析

案例 3D 模型。部分结构图如下

我对这种设备不熟，很多细节参数不知道，只能根据网络同类产品规格猜测，汇总信息如下表。这里主要是讨论仿真方法，所以输入信息有偏差也不要紧。

输入信息

设备参数假设：

项目	参数
设备类型	三相IGBT逆变器
额定功率	200 KW
输入方式	三相交流输入
输出方式	三相交流输出（电机侧）
输入端子	R / S / T
输出端子	U / V / W
输入输出额定电流	400A RMS
IGBT模块数量	12个，2种
每种IGBT数量	6个

200KW设备，如果效率98%，损耗：

$$200KW×(1−0.98)=4KW$$

热耗分布

器件	设置值	数量	总热耗 (W)
R/S/T铜排	400A	3	30
U/V/W铜排	400A	3	30
IGBT A	300W	6	1800
IGBT B	350W	6	2100
合计			3960

这里提供了铜排的电流值为后面做焦耳热分析做参考。

液冷板流量估算

初始条件及设计目标

• 冷却液入口温度：30℃
• 出水口温升：4~6℃

流量计算

公式：

$$Q=\frac{P}{\rho C_p\Delta T}$$

水密度 $\rho=1000kg/m^3$，比热 $C_p=4200J / kg K$

假设总热耗：

$$P=4000W$$

允许水温升：

$$\Delta T=5℃$$

计算：

$$m=\frac{4000}{4200\times5}≈0.19 kg/s=11.4L/min$$

所以将流量初步设定为$12L/min$.

FloEFD 仿真建模注意事项

如果只模拟液冷板的流体情况可以选则Internal模式，这种模式下可以模拟流体的速度，压力情况，但是无法分析热传递。它可以帮助我们快速进行流道分析、优化。

如果需要模拟热传递，铜排的焦耳热等，则需要使用External模式。

今天，先介绍使用Internal方式仿真，也就是不考虑温度情况，主要步骤如下：

1. 创建 Lid
2. 选则一个平面定义入口，同样的方式定义出口
3. 创建项目
4. Internal
5. 材料选则 water
6. 入水口 ，Inlet volume flow rate，12L/min
7. 出水口，Environment Pressure
8. 需选则入水口、出水口的内表面
9. 定义目标，入水口压力，出水口流量，入水口压力-环境压力

网格稍作加密，网格数量如下

Parameter	Value
Status	Calculation
Total cells	335,528
Fluid cells	335,528
Fluid cells contacting solids	243,759

结果

速度图

压力图

速度粒子图

目标值

Goal Name	Unit	Value
SG Inlet Volume Flow 1 Static Pressure Av	[Pa]	112366.7
SG Environment Pressure 2 Volume Flow Rate	[l/min]	-12
Equation Goal 1	[Pa]	11041.69

总结

• 本次仿真工况为 12 L/min 流量。入口平均静压为 112.37 kPa，环境压力约为 101.33 kPa，因此 Equation Goal 1 得到入口相对环境的压力为 11.04 kPa。
• 速度场显示，冷板内部流动整体连续，主要流道速度分布较均匀；局部最高速度约 2.734 m/s，主要出现在右侧转弯及下部连接区域，说明这些位置存在较明显的局部加速。
• 压力场整体由入口向出口逐渐降低，最大压力约 113.25 kPa，最低区域接近 100.28 kPa。综合本次结果，在 12 L/min 工况下，该冷板的入口压力需求约为 11.04 kPa，流场和压力分布总体较为连续。

对于冷板流道设计一个判定准则是： 在整个有效换热区域保持比较均匀、适当的流速，同时尽量减少不必要的局部高速和大面积低速/滞流区。

它们的影响分别是：

• 低速区：流体更新慢，对流换热弱，容易形成局部热积聚。
• 高速区：局部摩擦、冲击和转弯损失增加，可能导致压力损失增大

因此，需要关注低速区，同时也需要注意局部高速区。

可改进内容

1. 局部高速与压力损失较集中：右侧转弯、S 型连接及下部竖直通道出现较高速度，这些区域可能产生较明显的局部压力损失。
2. 安装柱的布置：从速度云图看，安装柱周围出现明显的低速区，同时流体需要绕过安装柱，在柱体两侧产生局部加速。这会造成局部压力梯度和一定的局部压力损失。