一个案例学会SolidWorks流固热耦合仿真流程与细节公开（附赠模型）

仿真圈

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大家好，我是仿真秀专栏作者——设计仿真一体化，感谢读者朋友高度关注我《SolidWorks联合DeepSeek零代码实现自动化设计仿真》，本文向读者朋友介绍SolidWorks流固热耦合仿真技术应用，欢迎批评指正。

所谓流固热耦合仿真，它是指在计算流体力学（CFD）和计算固体力学（CSD）基础上，同时考虑流体流动、固体变形和热传递三个物理场相互作用的复杂仿真技术。该技术通过建立耦合的数学模型，能够准确预测流体与固体之间的相互作用，包括流体对固体的作用力、固体变形对流体流动的影响，以及热传递过程中温度场的分布与变化。

在流固热耦合问题中，物理场之间存在复杂的相互作用机制。流体流动会产生压力和热载荷，导致固体结构产生变形和温度变化；而固体的变形又会反过来改变流体的流动边界条件，影响流体的流动特性；同时，热传递过程在流体和固体之间进行，形成复杂的温度场分布。这种多物理场的耦合效应在航空航天发动机、汽车动力系统、电子设备散热等工程领域中普遍存在，对产品性能和可靠性具有决定性影响。

当前，SolidWorks 流固热耦合技术可广泛应用于多行业核心场景，例如航空航天领域用于发动机热管理、涡轮叶片冷却及高超声速飞行器热防护，精准预测热流与结构应力；汽车工程聚焦发动机冷却系统、制动热管理及新能源汽车电池散热，优化热控设计；电子设备领域解决芯片、AI服务器GPU集群及PCB板散热问题，控制核心元件温度；能源设备用于换热器、蒸发器等装置的流场与传热分析，提升能源利用效率。其核心价值是通过多物理场耦合模拟，优化产品热性能与结构可靠性。

01    

SolidWork流固耦合案例实操    

案例背景：在电子产品散热设计中，当空气冷却无法满足散热需求时，液体冷却是更有效的解决方案。本课程将以变压器和冷却板的流固热耦合换热为例，详细介绍如何使用SolidWorks Flow Simulation进行仿真分析，案例模型来源于ansys discovery的帮助文档，刚好可以对比计算结果的精度。

问题描述：一个变压器产生100W的热量，通过冷板进行液体冷却。冷板由22°C的水冷却，流量在2-8 L/min之间选择。设计目标是确保变压器最高温度低于80°C，同时分析流道中的压力损失。

1、几何模型来自ansys discovery的帮助文档。

2、自定义固体和流体材料参数

3、边界条件设置：

• 入口：质量流量入口（对应2-8 L/min）
• 出口：压力出口（0 Pa表压）
• 变压器：100W体积热源
• 冷板外表面：自然对流（换热系数5 W/m²·°C）
• 流体入口温度：22°C
• 变压器与冷板间：热接触传导（2000 W/m²·°C）
• 冷板与管道间：完美热接触

4、网格设置

5、求解

由此可见，SolidWorks Flow Simulation提供了直观的流固热耦合分析能力，帮助工程师在产品设计阶段就能准确预测散热性能，大大缩短开发周期并提高产品可靠性。

02    

SolidWorks流固热耦合仿真难点    

SolidWorks 流固热耦合仿真需同时协调流体、结构、热三个物理场的相互作用，用户在操作过程中，核心关注点集中于仿真精度、求解效率、操作流程以及结果可靠性等方面，以下是具体问题盘点：

 

仿真精度相关问题  

1、材料属性定义偏差，该仿真需同时定义流体与固体的多种属性，比如固体的热膨胀系数、弹性模量，流体的粘度、热导率等。用户常出现属性参数输入错误，或忽略参数的温度依赖性的问题。例如高温场景下未调整流体粘度随温度的变化规律，会导致流体流动状态模拟失真，进而影响热传递和结构受力的计算结果。

边界条件设置不合理，边界条件是仿真贴近实际工况的关键，用户易出现诸多设置问题。像未准确设定流体进出口的流速、压力边界，忽略固体表面的对流换热系数，或未定义辐射换热边界等。比如在模拟管道散热的流固热耦合时，若误用默认对流系数替代实际环境的散热系数，会造成管道温度场分布计算偏差，无法准确预测热应力。此外，不同物理场边界的匹配度也易被忽视，如流体与固体界面的温度、力的传递设置不当，会导致耦合界面数据传递中断。

网格划分质量不佳，网格质量直接影响计算精度，用户常面临两难选择。网格过粗会使局部关键区域（如流体漩涡处、固体尖角热集中区）的细节被忽略，导致应力、温度等结果出现较大误差；网格过细则会大幅增加计算量。同时，流体与固体耦合界面的网格不匹配，易引发数据插值误差，例如流体网格与固体网格疏密差异过大，会造成力和温度在界面传递时失真。另外，几何模型若存在拓扑缺陷，还会导致网格畸变、划分失败，进而影响后续仿真。

 

求解效率与收敛性问题  

1、计算资源消耗过大，流固热耦合涉及多物理场控制方程的联立求解，且各物理场时间、空间尺度差异显著。比如流体流动的瞬时变化快，而固体结构变形慢，若采用统一时间步长，要么无法捕捉流体的动态特性，要么导致固体计算冗余。用户常因参数设置不当，使仿真占用大量内存和算力，甚至普通计算机难以支撑，尤其是复杂装配体仿真时，可能出现计算中途卡顿或崩溃。

2、迭代求解收敛困难，多物理场的非线性相互作用易导致求解不收敛。例如流体湍流模型与固体非线性材料特性叠加时，迭代过程中易出现数值振荡。用户常困惑于收敛困难的排查，比如不知如何调整松弛因子、迭代次数阈值等参数。此外，耦合顺序设置不当，如未合理安排流体、热、结构场的求解顺序，也会导致迭代无法收敛，反复计算却无法得到有效结果。

 

耦合逻辑与数据传递问题  

1、SolidWorks耦合类型选择模糊，SolidWorks 支持单向和双向耦合，单向耦合是流体 / 热场单向影响结构，双向耦合则是物理场间相互作用。用户常因不清楚二者适用场景选错类型。例如模拟高速流体冲击结构件导致的变形，而变形又反过来改变流道形状时，误用单向耦合会无法体现结构变形对流体流动的反馈，导致仿真结果偏离实际。

2、跨模块数据传递误差，流固热耦合常需结合 SolidWorks Simulation 和 Flow Simulation 模块，用户易遇到模块间数据传递异常问题。比如 Flow Simulation 计算的流场温度结果，无法准确导入结构热应力分析模块；或 transient（瞬态）仿真中，不同时间步的温度、压力数据传递中断。此外，若两个模块的模型配置不一致，会导致载荷映射失败，无法实现耦合计算。

 

结果解读与验证问题  

1、结果合理性判断困难

仿真后用户难以判断结果是否符合物理规律。例如出现结构应力远超材料强度极限、温度分布违背热传递规律等异常时，无法快速定位是参数设置、网格还是求解器的问题。比如某零件仿真结果显示局部温度远超热源温度，用户可能分不清是边界条件错误，还是辐射换热设置遗漏。

2、仿真结果与实验数据偏差，用户常发现仿真结果与实际实验数据不符，但难以排查根源。这可能是模型简化过度导致，比如忽略了零件的微小倒角、装配间隙等细节，这些细节在实际中会影响流体流动和热传递。此外，湍流模型、辐射模型等理论模型的简化假设，也会导致仿真与现实存在差距，用户需反复调整参数并对比实验数据，过程耗时且缺乏明确方向。

来源：仿真秀App