PDF《第1章FloTHERM》

第1章FloTHERM 概述 1.

1 FloTHERM 软件介绍? FloTHERM? 是一款专门用于电子散热领域的三维热仿真和优化设计软件,可应用于封装 元件、PCB? 板、系统设备和数据中心等不同层级.在任何实体样机建立之前,用户可通过? FloTHERM?软件创建产品的虚拟模型,预测产品内部的气流流动、温度分布和热量传递过程. 根据?FloTHERM?提供的仿真结果可以识别产品存在的热风险, 并且进一步提高产品的可靠性. 1.2 FloTHERM 软件背景原理 电子设备内外部的流体流动和热量传递受物理守恒定律的控制,基本的守恒定律包括: 质量、动量和能量守恒定律. 对于三维、瞬态、可压缩牛顿流体的流动与传热现象,其守恒控制方程如下: 质量守恒方程:? ( )

0 ? + = ?? div u? t r r (1?1)? X?方向动量守恒方程:? ( )? ( ) ( grad ) ? ? + = - + ? ?? u? u P? div uu div u S? t x r r m (1?2)? Y?方向动量守恒方程:? ( )? ( ) ( grad ) ? ? + = - + ? ?? v? v P? div vu div v S? t y r r m (1?3)? Z 方向动量守恒方程:? ( )? ( ) ( grad ) ? ? + = - + ? ?? w? w P? div wu div w S? t z r r m (1?4)?

1 FloTHERM?软件基础与应用实例? 2? 能量守恒方程:? ( )? ( ) grad? T? T k? div uT div T S? t c r r ? ? ? + = + ? ÷ ? è ? (1?5) 关于守恒控制方程的详细内容可以参考参考文献[1].上述守恒方程均为偏微分方程,在 数学上无法获得这些方程的解析解, 特别是由于动量守恒方程的高度非线性, 使得通过数学的 手段无法直接进行求解. 自?20?世纪?60?年代左右起计算流体动力学(CFD)技术逐渐形成了一门独立的学科.其主 要思想是把原来在时间域及空间域上连续的物理量场, 如温度场和速度场, 用一系列有限个离 散点上的变量值的集合来替代, 通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关 系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值[2].? FloTHERM? 软件正是基于计算流体动力学技术解决电子设备散热的问题,软件工作流程 如图?1?1 所示. 图1?1? FloTHERM 软件工作流程 1.3 FloTHERM 功能特点 (1)MCAD?和?EDA 软件模块接口.? FloTHERM?软件具有?MCAD?和?EDA?软件模块接口,用于提高仿真项目的建模效率.其中?FloMCAD?软件模块接口支持?Pro/ENGINEER、CATIA 和?Solidworks?等主流?MCAD?软件模 建立仿真项目模型 设置初始条件和边界条件 仿真项目网格划分 建立离散守恒控制方程 离散初始条件和边界条件 求解离散方程 求解是否收敛 显示和输出仿真结果 是否设置求解控制参数 FloTHERM?概述 第?1?章? 3? 型数据,同时也支持三维模型数据的导出.FloEDA? 软件模块接口支持? Allegro、APD、? Boardstation、CR5000?和?Expedition 等主流?EDA 软件数据,同时也支持 EDA 软件常用的?IDF? 格式数据. (2)智能元件和模型库数据.? FloTHERM? 软件提供了电子设备中常见器件的智能元件模型.例如封装元件、热管、风扇、散热器、PCB? 板、热电制冷器、打孔板、机箱、机柜和空调.此外,软件模型库中包含 了数千种电子器件的特性数据和几何模型.例如风扇、封装元件、散热器、导热界面材料、机 柜和空调等. (3)几何建模易用性.? FloTHERM? 软件支持参数化建模的同时,也支持通过鼠标拖放来改变模型的几何位置和 尺寸.其所见即所得的建模方式具有操作简单、直观和高效等特点. (4)网格系统.? FloTHERM? 软件采用笛卡尔网格系统.笛卡尔网格系统在求解计算时间、求解数据存储 空间以及求解的健壮性方面要优于其他网格系统.此外,FloTHERM? 软件中网格与模型紧密 相关, 对于模型设置的网格加密作为模型的属性存在和保存. 模型网格属性可以与模型一起保 存至模型库中,之后调用模型时可不必再次进行网格划分. (5)求解器.? FloTHERM? 软件具有多重网格和分离耦合残差两个求解器.其中多重网格求解器在计算 时可以将各种频率分量的误差比较均匀衰减掉, 因此加快了迭代收敛的速度, 对于线性温度方 程的求解尤为明显. (6)后处理.? FloTHERM?可视化后处理模块?Visual?Editor?专为提高电子设备热设计效率而研发, 完全逼 真的模型、 三维流体流动动画和瞬态温度动态显示可协助工程师快速高效地了解产品热特性以 及可能存在的热风险,并且将产品优化设计结果以可视化形式快速呈现出来. (7)优化设计.? FloTHERM 的Command?Center 优化设计模块可以根据目标函数进行仿真项目自动优化设 计,其包括了 DOE(实验设计) 、SO(顺序优化)和RSO(响应面优化)等先进的优化方法, 使软件不仅作为项目方案热风险验证和评估的工具,更能作为项目优化设计的工具. 1.4 FloTHERM 工程应用背景 应用?FloTHERM?软件可以快速地进行大量项目仿真分析,在此基础之上再结合一定的实 验测试,可以大幅缩短产品研发时间和降低产品研发成本,提高企业的研发能力和竞争力.电 子设备散热领域任何涉及流体流动和热量传递的物理现象都可以通过?FloTHERM?软件进行仿 真分析.除此之外,FloTHERM? 软件也被用于瞬态、红外辐射、太阳辐射和液体冷却等物理 现象的仿真分析.历经?25?年的发展和改进,FloTHERM?软件已经被广泛地应用在通讯、电力 能源、计算机、消费电子、半导体、汽车、航天和机车等行业领域. FloTHERM?软件基础与应用实例?