Flotherm與電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)（一）

leonchen 2019-10-25

Flotherm是一款計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)熱學(xué)建模分析工具. 其設(shè)計(jì)目的是對(duì)系統(tǒng)級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)和器件封裝級(jí)電子設(shè)備或元器件進(jìn)行空氣的流動(dòng)與傳熱模擬。在電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，可以通過(guò)數(shù)值仿真的方法來(lái)探究各種設(shè)計(jì)變動(dòng)對(duì)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(shí)測(cè)。因此，使用Flotherm可以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，獲得更好、可靠性更高的產(chǎn)品，以及實(shí)現(xiàn)“通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)行校正”——筆者理解為：可以通過(guò)探究各變動(dòng)對(duì)散熱的影響，有目的性地調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足設(shè)備散熱需求。

功能概覽

Flotherm采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法來(lái)分析空氣流動(dòng)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(dòng)的成因有自然對(duì)流（熱空氣上升）和機(jī)械力推動(dòng)（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(duì)流——壁面與流體之間的熱量交換
熱輻射——熱量從一個(gè)面到另外面的傳播

根據(jù)質(zhì)能守恒定律，空氣的流動(dòng)與傳熱過(guò)程可以使用偏微分方程（N-S方程）來(lái)描述。在FloTHERM中，偏微分方程被轉(zhuǎn)換成有限容積的形式來(lái)近似表達(dá)。這就需要設(shè)定一個(gè)包含參與計(jì)算的溫度、壓力、速度這幾個(gè)變量的體積元。因此，這個(gè)空間（稱(chēng)為求解域）會(huì)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(duì)連續(xù)空間的近似度就越高，參與計(jì)算的點(diǎn)也越多，計(jì)算的精度顯然也就越高。但這樣對(duì)計(jì)算機(jī)的要求也更高，同樣的配置下，計(jì)算效率會(huì)下降。

Flotherm所用的控制方程是非線(xiàn)性耦合的。所謂耦合，是指某個(gè)網(wǎng)格中的變量與其周?chē)W(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(gè)可接受的水平為止。

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

使用Flotherm的過(guò)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(jì)算結(jié)果。

問(wèn)題描述

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

每一個(gè)網(wǎng)格就意味著Flotherm中計(jì)算的變量（如速度，溫度，壓強(qiáng)等）的一個(gè)存儲(chǔ)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(shí)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(jì)算方法

在求解過(guò)程中，FloTHERM綜合考慮各個(gè)數(shù)值計(jì)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(gè)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?chē)W(wǎng)格內(nèi)存儲(chǔ)的的T1，T2，T3，T4，T5和T6都有關(guān)聯(lián)。