Flotherm與電子產(chǎn)品熱設(shè)計（一）

leonchen 2019-10-25

Flotherm是一款計算流體動力學(xué)熱學(xué)建模分析工具. 其設(shè)計目的是對系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級和器件封裝級電子設(shè)備或元器件進(jìn)行空氣的流動與傳熱模擬。在電子產(chǎn)品開發(fā)初期，可以通過數(shù)值仿真的方法來探究各種設(shè)計變動對產(chǎn)品造成的散熱影響。而仿真并不需要真正制作產(chǎn)品樣機(jī)或?qū)C(jī)器進(jìn)行實測。因此，使用Flotherm可以縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，獲得更好、可靠性更高的產(chǎn)品，以及實現(xiàn)“通過設(shè)計進(jìn)行校正”——筆者理解為：可以通過探究各變動對散熱的影響，有目的性地調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以滿足設(shè)備散熱需求。

功能概覽

Flotherm采用計算流體動力學(xué)（CFD）方法來分析空氣流動與傳熱。Flotherm尤其適用于研究電子設(shè)備中的各種熱物理現(xiàn)象。

空氣流動的成因有自然對流（熱空氣上升）和機(jī)械力推動（如：風(fēng)扇）兩種可能。熱量的傳遞有三種基本形式：

熱傳導(dǎo)——固體或靜止流體中熱量傳遞
熱對流——壁面與流體之間的熱量交換
熱輻射——熱量從一個面到另外面的傳播

根據(jù)質(zhì)能守恒定律，空氣的流動與傳熱過程可以使用偏微分方程（N-S方程）來描述。在FloTHERM中，偏微分方程被轉(zhuǎn)換成有限容積的形式來近似表達(dá)。這就需要設(shè)定一個包含參與計算的溫度、壓力、速度這幾個變量的體積元。因此，這個空間（稱為求解域）會被劃分為一定數(shù)量的小體積元，或成為網(wǎng)格單元。

模型劃分的網(wǎng)格數(shù)越多，離散元對連續(xù)空間的近似度就越高，參與計算的點(diǎn)也越多，計算的精度顯然也就越高。但這樣對計算機(jī)的要求也更高，同樣的配置下，計算效率會下降。

Flotherm所用的控制方程是非線性耦合的。所謂耦合，是指某個網(wǎng)格中的變量與其周圍網(wǎng)格中的該變量和其他變量都有關(guān)聯(lián)。因此方程以迭代形式進(jìn)行求解，直至這些方程的誤差降至一個可接受的水平為止。

對于Flotherm所用的CFD相關(guān)知識，可以參閱Flotherm BackgroundTheory Reference Guide——筆者：介紹CFD計算原理的資料有很多，但需要對流體流動與傳熱有較為豐富的基礎(chǔ)知識才便于理解。建議在了解計算流體動力學(xué)之前，先深入了解流體力學(xué)和傳熱學(xué)兩門課程。

使用Flotherm的過程大致如下：定義需求，設(shè)定模型參數(shù)，構(gòu)建幾何體，添加求解網(wǎng)格，求解控制方程，最后查看計算結(jié)果。

問題描述

在FloTHERM中，用戶需要定義探究對象以及對象中包含的各宏觀三維尺寸，然后添加計算網(wǎng)格。

每一個網(wǎng)格就意味著Flotherm中計算的變量（如速度，溫度，壓強(qiáng)等）的一個存儲單元。

系統(tǒng)將空氣的物理性質(zhì)（如密度，粘度，比熱）默認(rèn)設(shè)置為30℃下干空氣的物理性質(zhì)，必要的情況下，這一設(shè)定可以依據(jù)實際選用的冷卻介質(zhì)的物理性質(zhì)進(jìn)行更改。另外，還需設(shè)定合理的邊界條件（如環(huán)境溫度，已知的質(zhì)量流和熱源）。

計算方法

在求解過程中，FloTHERM綜合考慮各個數(shù)值計算網(wǎng)格內(nèi)變量之間的耦合關(guān)系。表現(xiàn)到數(shù)值求解的方程中，就是某一個網(wǎng)格內(nèi)的變量，與其相鄰的所有網(wǎng)格變量都有關(guān)聯(lián)。——與原文意思略有差別。

例如，下圖所示的溫度變量T，其與周圍網(wǎng)格內(nèi)存儲的的T1，T2，T3，T4，T5和T6都有關(guān)聯(lián)。