J6-02 · 仿真分析 CAE / 多物理场与电子热
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一课题可并存多讲师版本
课程大纲
学完能做什么
- 能设计电-热-流协同仿真的架构（单向/双向耦合，松耦合/紧耦合）
- 能按精度与算力权衡选择耦合粒度（Rth 网络 vs 3D CFD）与工具链对接方式
- 能搭一个逆变器/电驱总成级的电-热-流耦合模型并跑通稳态耦合
- 能判断耦合仿真不收敛的常见原因并给出松弛/分层降阶的应对办法
内容大纲
- 为什么要多物理场耦合
- 单域仿真的局限：电路仿真假设温度定常、CFD 不知道损耗分布
- 电-热-流三域各自的输入输出接口
- 系统级冷却设计（流道、冷板、多器件均温）离不开耦合
- 与 J6-01 的分工：器件级快速网络仿真 vs 系统级 3D 精算
- 耦合架构与粒度选择
- 单向耦合（损耗→热）vs 双向耦合（温度反馈损耗）
- 松耦合（顺序迭代）vs 紧耦合（联立求解）
- 耦合粒度：器件级 Rth 网络、部件级 3D CFD、系统级 1D 网络怎么选（承接 J6-01/J1-04）
- 多数工程场景够用单向耦合，什么情况必须上双向
- 建模对象决定方法族，两族不可互相套用：本课的逆变器功率器件+液冷冷板属高功率密度、强制对流，靠损耗 map + CHT 流固迭代；低功率密度、多热源、自然对流与辐射并重的板级/盒级电子（域控、PDU 密封盒）靠封装紧凑模型 + PCB 各向异性等效导热率——板/盒级对象的建模范式见 E5-05
- 工具链对接与损耗源映射：损耗怎么正确进入 3D 热模型
- 电路仿真（PLECS/Simplorer）与 CFD（Icepak/Fluent/STAR-CCM+）之间的数据交换
- 损耗 map 映射为 3D 模型的体热源/边界热流
- 联合仿真接口（FMI/co-simulation）与手动数据搬运两条路
- 磁性元件（电感/变压器）这类低导热率、大体积热源的加载处理：损耗要按磁芯与绕组分区加载，而不是整体均布；且磁芯损耗系数多取自正弦励磁的 Steinmetz 形式，开关电源的方波/三角波励磁须先用 iGSE 类修正再送进热模型（前指 E3-01）
- 建模实践：热源加载、CHT 交界面与冷板流场-结温迭代
- 损耗分布加载到 3D 热模型作为体热源
- 共轭传热 CHT 的固-流交界面处理（前指 J2-04）
- 冷板流场与器件结温的迭代
- 收敛控制与分层降阶：不收敛怎么判、怎么救
- 收敛判据与松弛因子的设置
- 瞬态工况（快充、峰值扭矩）下耦合仿真的取舍——先分层降阶再精算
- 收敛性、网格、时间步的敏感性检查
- 结果可信度与工程应用
- 与试验相关性验证（前指 J7-01）
- 耦合仿真结果在冷却系统选型/流道设计中的应用
- 什么问题必须靠耦合仿真回答、什么问题单域仿真就够
关键公式
Q̇(x, y, z) = f(器件损耗分布)
把电路仿真的分立器件损耗按物理位置映射为 3D 热模型的体热源，是单向耦合的核心操作
P_loss(T) ≈ P_loss(T₀) + (dP/dT)|_{T₀}·(T − T₀)
损耗对温度的一阶线性化，是双向耦合迭代的驱动关系；要紧的是 dP/dT 的符号随工作区变化——SiC MOSFET 的 Rdson、IGBT 的大电流区为正，IGBT 通态压降在交越电流以下可反号为负，这个符号决定了单向耦合是偏危险还是偏保守
k_s·∇T_s|_wall = k_f·∇T_f|_wall, T_s|_wall = T_f|_wall
共轭传热交界面：热流连续、温度连续，是耦合边界条件的物理本质
T_new = T_old + ω·(T_calc − T_old), 0 < ω < 1
松弛迭代，欠松弛因子 ω 防止顺序耦合发散或震荡
关键概念
单向耦合双向耦合松耦合紧耦合共轭传热 CHT损耗 map体热源FMI 联合仿真接口松弛因子耦合粒度分层降阶
推荐工具与标准
PLECS / Simplorer（电路损耗仿真） Ansys Icepak / Fluent / STAR-CCM+（3D CFD 热仿真；本课按功率器件+冷板对象使用，板/盒级电子的建模范式见 E5-05） KULI / Amesim（1D 流阻网络与冷却回路边界） MATLAB/Simulink 或 FMI 框架（跨工具协同调度）
JEDEC JESD51 系列（Rth/Zth 基准，用于耦合模型末端校核） AQG 324（车用功率模块鉴定，作为耦合仿真结果的验收参考）
工程案例
某 800V 电驱逆变器（SiC 模块+液冷冷板）在峰值功率工况下的电-热-流耦合仿真：电路仿真给出各开关器件损耗分布，映射为 3D 冷板 CFD 体热源，迭代冷板流场与结温，验证流道散热裕度与多芯片流量/温度均匀性。
动手做
交付物 · 给定逆变器损耗 map（几个典型工况点）和简化冷板 CFD 模型：① 设计单向耦合流程，把损耗映射为 3D 热源边界；② 跑通稳态耦合，读出器件结温与冷板压降；③ 说明升级双向耦合需补充哪些接口。
常见误区
- 只做单向耦合、忽略温度对损耗的反馈，还不分工作区一刀切下结论：在模块总损耗呈正温度系数的工作区（大电流/高结温，即热设计定尺寸的那档工况）忽略温度反馈会系统性低估结温；而在交越电流以下的轻载区 dP/dT 可能反号，单向耦合反而转为偏保守——先判 dP/dT 的符号，再决定要不要上双向
- 耦合仿真直接套 3D CFD 全瞬态，算力爆炸——应先用 J6-01 的网络模型筛出最热工况点，再上 3D 精算（前指 J7-02 ROM）
- 松弛因子设置不当导致不收敛或收敛极慢，被误判为模型本身有错
- 电路工具与 CFD 工具单位制/参考温度基准不一致（如结温基准 vs 环境温度基准），边界条件对不上
- 只验证了稳态工况就收工，忽略瞬态峰值结温才是真正的失效风险点
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