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Flotherm与电子产品热设计(一)

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Flotherm是一款计算流体动力学热学建模分析工具其设计目的是对系统级、子系统级和器件封装级电子设备或元器件进行空气的流动与传热模拟。在电子产品开发初期,可以通过数值仿真的方法来探究各种设计变动对产品造成的散热影响。而仿真并不需要真正制作产品样机或对机器进行实测。因此,使用Flotherm可以缩短产品设计周期,获得更好、可靠性更高的产品,以及实现通过设计进行校正”——笔者理解为:可以通过探究各变动对散热的影响,有目的性地调整产品结构,以满足设备散热需求。

 

功能概览


Flotherm采用计算流体动力学(CFD)方法来分析空气流动与传热。Flotherm尤其适用于研究电子设备中的各种热物理现象。

空气流动的成因有自然对流(热空气上升)和机械力推动(如:风扇)两种可能。热量的传递有三种基本形式:

  • 热传导——固体或静止流体中热量传递

  • 热对流——壁面与流体之间的热量交换

  • 热辐射——热量从一个面到另外面的传播



      根据质能守恒定律,空气的流动与传热过程可以使用偏微分方程(N-S方程)来描述。在FloTHERM中,偏微分方程被转换成有限容积的形式来近似表达。这就需要设定一个包含参与计算的温度、压力、速度这几个变量的体积元。因此,这个空间(称为求解域)会被划分为一定数量的小体积元,或成为网格单元。


模型划分的网格数越多,离散元对连续空间的近似度就越高,参与计算的点也越多,计算的精度显然也就越高。但这样对计算机的要求也更高,同样的配置下,计算效率会下降。


Flotherm所用的控制方程是非线性耦合的。所谓耦合,是指某个网格中的变量与其周围网格中的该变量和其他变量都有关联。因此方程以迭代形式进行求解,直至这些方程的误差降至一个可接受的水平为止。


对于Flotherm所用的CFD相关知识,可以参阅Flotherm BackgroundTheory Reference Guide——笔者:介绍CFD计算原理的资料有很多,但需要对流体流动与传热有较为丰富的基础知识才便于理解。建议在了解计算流体动力学之前,先深入了解流体力学和传热学两门课程。

使用Flotherm的过程大致如下:定义需求,设定模型参数,构建几何体,添加求解网格,求解控制方程,最后查看计算结果。


问题描述


FloTHERM中,用户需要定义探究对象以及对象中包含的各宏观三维尺寸,然后添加计算网格。

每一个网格就意味着Flotherm中计算的变量(如速度,温度,压强等)的一个存储单元。

系统将空气的物理性质(如密度,粘度,比热)默认设置为30下干空气的物理性质,必要的情况下,这一设定可以依据实际选用的冷却介质的物理性质进行更改。另外,还需设定合理的边界条件(如环境温度,已知的质量流和热源)。

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计算方法


在求解过程中,FloTHERM综合考虑各个数值计算网格内变量之间的耦合关系。表现到数值求解的方程中,就是某一个网格内的变量,与其相邻的所有网格变量都有关联。——与原文意思略有差别。

例如,下图所示的温度变量T,其与周围网格内存储的的T1T2T3T4T5T6都有关联。

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求解


程序通过迭代过程求解离散后的代数方程组,在一定计算步数之后,残差收敛到某个标准。

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结果分析


求解完成后,可以通过查看速度矢量图,等温度云图、等压力云图来分析求解域中的流体流动情况。

工程师通过分析这些计算结果,可以确定是否需要对产品的设计做出修正,如是否需重置风扇的位置,产品通风孔是否需要调整等等。


未完待续,会持续更新


参考文献:

                《 Flotherm 帮助文档 

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