当电子设备的空气冷却达到能力极限后，采用的下一代冷却技术很可能就是热管和单相、两相冷却剂回路（包括可能的回路热虹吸、喷淋制冷、蒸汽压缩制冷循环和回路热管）。这些技术领域并不适合采用2D/3D计算流动动力学(CFD)软件进行设计和分析，同样传统的网络示意图类型的模拟方法在面对这种有着复杂几何结构的热/结构模型时也显得非常笨拙。

　　这篇文章介绍了在3D热模型内用CAD线绘制方法快速生成1D热管和冷却剂回路的流动模拟技术。流体回路的管线和弯头能与平板和其它曲面融于一体、或以线接触、支架接触等形式连接，无论这些曲面是用热有限差分方法还是用有限元方法生成、哪怕是两者的结合体都行。流体管线同样也能变换和调整以描述复杂的换热器和满足安装的垂直度要求。

　　为演示这些概念，给出了两个有明显区别的例子：一个是铜－水热管，一个是带有回型管冷凝器的铝－氨回路热管。文章也总结了这些设备系统级模拟的数值要求。

超越空气冷却

　　强迫空气对流冷却应当是目前电子产品降温的最常用的方法，但是，高于每秒3～4米的空气速度已经很难达到了。因此，随着热流密度的增加和封装组件（多芯片模块MCMs）的出现，空气冷却很快就达到了利用的极限。这种极限事实上已经在高功率密度领域被超出。在许多其它应用中，空气冷却也不再是最好的工程解决方案，但是仍然由于政治和基础设施方面的阻碍（不是技术原因）被持续应用，而未迈出应有的一步。

　　应有的一步是什么？什么能超越空气冷却？单相液体流动冷却可能是代表这种科技进步的一小步（ref1-2），尽管目前密封热管仍然作为空气冷却的有效辅助手段受到欢迎。一些组织已经推断，如果向系统内加入流体的阻碍一定要克服的话，那么应当跳过单相系统直接使用两相系统，因为它们具有更低流速和更高传热系数。这样的两相系统包括“被动的”（不用泵和压缩机的）热管、回路热管和回路热虹吸，以及“主动的”泵驱动的两相冷却剂回路包括蒸发喷淋冷却器（ref3）。其他人（ref4）认为，既然不怕麻烦地采用了两相系统，我们更应当开发汽化制冷系统的潜能并最终消除散热通道上的终极极限：半导体节与环境间的温差。

　　无论答案是单相回路（或许也包括风冷吧）、热管、两相冷却剂回路、或者制冷系统，改变现有模拟技术的需求是始终存在的：日益强调采用CFD方法模拟风冷系统并不能满足日益增长的工程设计需要。在我们正式开始介绍CFD软件的替代品之前，先简要描述一下基于结构分析（导热/热容/辐射）的热模拟技术的现状。

3D热模拟

　　有多种网络类型的热导/热容模拟工具存在，包括Sauna、Network Analysis的SINDA/G、Thermal Associates的TAK等热求解器，以及同属于SINDA的C&R公司的SINDA/FLUINT。通常这些程序都被错误地认为是“有限差分”软件，实际上它们是不依赖于几何体的热网络（电路）求解器，不仅能被用来求解有限差分问题和1D集总参数问题，还能用于有限元问题（需做特殊的输入设置）求解。它们通常都具有内在的可执行的用户逻辑和（或）其它等式类型的输入变量。渐渐地，热网络求解器也采用了图形化用户界面（通常是基于3D几何体的）以便于输入文件的产生，但大多数仍保留着电路图类型的示意图前后处理器，这种示意图类型的用户界面对于高等集总参数法模拟，如用当量热容、热导和表面积等参数描述的电池组，以及其它需精简模型集成的应用很重要。

　　类似地，各类软件工具在模拟壳体和实体的稳态和瞬态导热方面都没有缺点，有限元方法（例如MSC/NASTRAN）应用最多，偶尔使用有限差分法（例如EDS公司的TMG），并且至少有一个软件（Ref5）是采用了有限元和有限差分两种混用－匹配形式，事实上，每个结构有限元软件都提供了可选的此类“传热模拟”模块。大多数此类软件也提供了由CAD模型生成热模型的工具，尽管彼此间存在着灵活性的差异。

　　最后，结构有限元模型能基于各式各样的CAD软件的模型生成。但是，不幸的是，这些结构有限元模型很少能直接适合作为热模型使用。几乎没有可专门提供给热管理设计任务使用的曲面和实体（2D/3D）程序存在，有的也只是为满足高层组装件产品级热设计需求，计入接触热导和有效辐射效果的软件。几乎没有软件能提供任何流体流动模拟能力，除了那些采用完整CFD理论的软件（例如，Fluent公司的IcePak，EDS公司的ESC）。

　　一些其它的2D/3D软件提供了流体流动网络。除了一个特例（Ref6）外，大多数这类软件都需将流速和换热系数等参数作为输入给出，更差的是，2D/3D热几何体间的内部联系需要手动产生。部分软件采用示意图类型的GUI描述流体流动问题，与热模型相关的曲面和实体或者不存在或者过于简化。这些软件开发的重点或者在于1D流体模拟，或者在于3D热模拟，但是没有一个软件同时包括了这两种功能。

　　总而言之，大多数的热工程师能掌握并相对容易地创建2D/3D热导热模型，并且其中的一些能创建带有接触热导和辐射的热模型。但是很少能够在不求助于全3D CFD软件的前提下，将风冷和管道冷却剂流动模拟集成到这些模型中去的。

3D CFD软件的应用

　　与传热耦合的管道单相流体流动能用各种各样的2D/3D CFD软件模拟。这种模型在汽车行业的应用，包括确定复杂空气管道内的分支和分叉流动、用于评估进入车厢的平均流量、风路出口处速度廓线。

　　但是，在自由来流（绕流）的近壁边界层内，需要相对较小的CFD单元和有限容积，计算资源的需求通常随着分辨率的增加而以几何规律增加。在绝热的管道流动中，CFD单元在整个模型中都必须非常小，在有传热的管流中，大多数CFD软件需要更精细的单元以避免近壁处计算耦合换热量时出现大的误差项。对于包括整个冷却剂回路的真实复杂系统而言，这种求解的成本太高了，也使得瞬态分析几乎不可能，进行参数化分析和迭代稳态计算更是不用提了。事实上，几乎没有CFD软件能提供完整的参数化模型分析能力：模型和有限元的改变在两次运行间、更不必说在每次运行过程中都是很难实现的。

　　有相变的两相流动，例如发生在热管（包括回路热管）、热虹吸、喷淋冷却器和蒸汽压缩循环中的相变过程，在当前仍是实用商业化CFD软件进行系统级模拟的禁区，虽然它们在大学研究项目中有所应用。

　　基于以上原因，一些CFD供应商已经开始提供1D流动模拟替代工具，也是意识到了以上的局限性可能在未来的很多年内都将难以解决。

1D流动模型的应用