FEA 或 CFD 以获得更好的热解精度？

赋予客户群体独特需求的个性化产品灌输了对多种设计模型的需求。在对这些模型进行原型设计之前，会使用有限元分析 (FEA) 和/或计算流体动力学 (CFD)工具对其性能进行测试。在这些测试中，有多个实例将 FEA 工具与 CFD 进行比较。需要注意的是，FEA是使用数值方法的分析类型，而 CFD 使用一种这样的数值方法对流体流动问题进行建模。如果正确使用或根据应用，数值方法可以提供准确的解决方案。使用这两种工具的技术诀窍和经验有助于区分哪种工具适合特定应用。FEA和CFD都可以解决热问题，但解决不同的物理场时，求解精度存在差异。 

使用 CFD 进行热分析

CFD 工具广泛用于流体流动问题的热分析，其中详细分析了对流和辐射传热。在进行CFD分析时，几何结构得到了很大程度的简化。去除了几何的复杂特征；仅考虑发生流动的表面。由于流体动力学都是关于流体体积的，因此 CFD 分析中使用的数值方法是有限体积法 (FVM)。

在 FVM 中，偏微分方程的体积积分使用散度定理转换为表面积分。FVM 是 1D 或 2D 有限差分法的体积模拟；它通常用于流动或通量问题，例如 3D 中的平流或扩散。此外， Navier-Stokes 方程中的非线性对流项使 CFD 解决方案适用于涉及流体流动的热问题，主要是因为对流传热仅在存在流体的情况下发生。

使用 CFD 工具，可以分析固体域和流体域之间的热传递。这被称为共轭传热 (CHT)。CHT 模型有效地用于冷却应用。在热交换器中，强制对流用于冷却管内的热流体，由壁隔开，其中传导是管外壁和内壁之间的热传递模式。强制对流有助于在 CHT 模型中实现高传热率。使用 CHT 方法，直接计算壁的传热系数，而不是根据经验公式进行简化。 

使用 FEA 进行热分析

FEA 使用有限元法 (FEM)，主要用于求解固体中的传导热传递。从热学角度来看，FEA 以简化的方式考虑对流和辐射效应，并为传热系数设置边界条件。FEA的缺点是收敛性和稳定性。在非自伴随 3D 非线性偏微分方程系统中，FEA 解可能会变得不稳定并偏离真实解。这是由于控制方程中的特定非线性项引起的。这使得 FEA 无法解决流体流动传热问题。

FEA 主要用于结构分析，并补充 CFD 原型测试以进行多学科系统分析。用于应力分析的热应变加载是 FEA 用于热分析的一个示例。

耦合 FEA 和 CFD

我们周围的大多数能源系统都结合了不同的能量形式，因此有必要在不同层面评估系统。例如，飞机轮胎在转弯时的热机械行为会因摩擦而在滑道上产生热量；该分析有助于研究横向摩擦与散热之间的关系，以避免热失控。

为了在多学科层面解决问题，Cadence 不断致力于开发和获取能够实现系统级分析的解决方案。其中一款产品是我们的内部Celsius Thermal 求解器，它结合了 FEA 和 CFD 工具来处理 PCB 设计的流体流动和电热方面。我们拥有用于筒仓流体流动解决方案的 Fidelity CFD 软件，我们最近对Cascade 技术的投资也提供了端到端的 CFD 工作流程。

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文章来源：cadence博客