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FloEFD培训实例8-14讲

FloEFD
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FloEFD培训实例8-14讲目录

FloEFD培训实例1-7讲

第8讲_获取结果(后处理).ppt   --------2
第9讲_计算网格.ppt  ----------------25
第10讲_电子散热基础.ppt  ------------47
第11讲_载入 CAD 模型基础.ppt  --------73
第12讲_与 Solidworks的协同介绍.ppt  -----84
第13讲_解决疑难问题.ppt  ----------------------89
第14讲_FloEFD电子散热补充资料CN.ppt  -----95
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第八讲  获取结果 (后处理)
载入结果
结果必须手动进行载入
Flow Analysis ->Results-> Load/Unload Results
点击 EFD Results Main toolbar 中的 Load/Unload Results
右击分析树中的 Results

结果
结果出现
最常使用:切平面
切平面显示了某个截面上的参数分布。这些参数可以以轮廓图或等值线方式描述。
也可以在切平面上显示矢量参数。
轮廓图和等值线物理参数在观察设置 (View Settings)中定义。

切平面
显示了平面上的参数值
4 种类型 (可以组合)
轮廓图
对等值线进行填充
等值线图
相同值的线
矢量
箭头表示参数方向
网格
求解网格
可以动态显示 .

如何创建切面云图
切面云图 -> 插入
在特性树中选择切面的方向
选择显示类型
不要忘记激活预览


切平面创建在几何模型的中心
使用滑动条可移动切平面

观察设置

定义切平面中显示的变量 (parameter) 。
求解域内最小/最大值
当前平面中的最小/最大值
参数列表(Parameter List): 增加或去除变量

3D 轮廓图
3D 轮廓图显示参数在 section plane 平面上如何分布的,和切平面仅仅以颜色可视化(color visualization)不同,3D 轮廓图增加了轮廓图与 section plane 的一段距离,这段距离的大小与参数值成比例。
其中
物理参数
和比例系数
在显示设置(View Settings)对话框下的 3D Profile 页中定义。

表面云图(Surface plot)显示了所选模型面上的参数分布。
在观察设置 ( View Settings )为轮廓或等值线图定义物理参数。
当表面速度为0时,通过使用“Option -> Offset”也可以在表面云图中显示矢量参数。

创建等值面图:
打开观察设置 (View Settings) 对话框并且在等值面(Isosurfaces) 页定义你想显示的等值面。
点击 Flow Analysis, Results, Insert, Isosurfaces.

流动迹线
以流体流线或粒子显示流动迹线。
流体流线是所有点速度矢量的切向拟合线。
各种动态选项
通过在模型中点击,选择起始表面或线
可以选择几个面
实体面可以作为起始表面
可以输出至 Excel 或 Text

流动迹线 – 灯光

粒子研究
例子研究允许你显示物理粒子的迹线和获得粒子运动的相关信息,这些信息包括粒子对壁面的侵蚀和积聚。
 
这些粒子不会影响流动,但是流动影响粒子的速度和温度(导致密度的改变)。

XY图可以使你观察参数沿着定义的方向是如何变化的。
你可以使用曲线和草图(2D 和 3D 草图和草图线,物体边和迹线)。
这些数据被输出至 Excel 工作表中,其中显示了参数图和参数值。参数图分别显示在不同的页中,所有的参数值被显示在 Plot Data 页。
例如:沿圆柱的周长方向的局部热交换系数

点参数
显示求解域内部指定点的参数值。
所关注的点可以通过点的坐标或选择平面或表面确定。你也可以定义一个网格,网格线的交点就是显示参数的点。
点参数显示在表格 (Table)页或者也可以被输出至 Excel 工作表中。


表面参数
显示定义表面所计算的参数值 (minimum, maximum, average 和integral)。
Local, Integral, Table 页(Table 页只有瞬态分析具有)
例如:
Surface flux of main chip=3.1W
Heat specified in Volume=4 W
显示定义体积内的参数值 (minimum, maximum, average, bulk average 和 integral) 。
Local, Integral, Table 页(Table 页只有瞬态分析具有)。

目标云图
研究目标在计算过程的改变。

EFD 使用微软的 Excel 显示目标云图数据 (在计算完成之后)。
每一个目标在 Excel 的不同页显示。
概况 (Summary)页显示了在完成计算时刻的目标值。(对于瞬态分析而言,可以是载入时刻的值)。

报告
id_fullreport.dot –以简单形式包含所有有用信息的文本报告。
idf_fullreport.dot -以完整形式包含所有有用信息的文本报告。(最完整报告)。
id_inputdata.dot –以简单形式包含输入数据的文本报告。
idf_inputdata.dot -以完整形式包含输入数据的文本报告。
id_results.dot -以简单形式包含结果信息的文本报告。

教程 6 热交换系数 (可选)

第九讲  计算网格
计算网格
任何 EFD 计算都在矩形计算域内完成,计算域的边框与笛卡儿全局坐标系的轴平行。

通过设置一系列垂直于笛卡儿全局坐标系轴的平面产生计算网格,计算网格将求解域划分为成直角的平行六面体网格。
Fluid cells – 网格内部完全是流体。
Solid cells – 网格内部完全是固体。
Partial cells – 网格内部既有固体又有流体。
Irregular cells – 与部分网格类似,内部既有流体/固体或流体/固体,但不同物质的分界面无法确定。

网格生成阶段
1. 通过创建基础网格可以生成一定数量的网格,之后通过使用控制平面(control planes)可以细化或粗化某一区域的初始网格,以便更好地求解模型中的流动特征。
2. 细化基础网格捕捉小的固体特征,或区分物质界面(流体/固体,流体/多孔介质,多孔介质/固体界面或不同固体之间的边界),曲率(例如:小半径圆周表面等)
也就是:小的固体特征细化,曲面细化,公差细化。

3. 细化特定的网格类型 (对各类网格,流体,或固体,部分网格)。
4. 细化所获得的网格,以便更好的对狭长通道进行计算
也就是:狭长通道细化
更完美的网格可能需要一定的技术,软件也可以很好的对网格进行划分。
坏网格 – 坏结果。
太多网格 – 计算时间更长

初始网格等级 (Level of initial mesh) 控制基础网格(Basic Mesh) 数量和模型中狭长通道内网格细化。

手动定义最小缝隙尺寸(Manual specification of the minimum gap size), 通过初始网格影响模型中狭长通道的求解。

手动定义最小壁面厚度(Manual specification of the minimum wall thickness), 确定模型壁面内的细化网格。

优化薄壁面求解(Optimize thin walls resolution): 保持激活状态。


基础网格
基础网格是0级网格。在 2D 计算中,在不考虑的方向上仅仅生成(自动)一个网格。
默认情况下, EFD 会尽可能的将网格建成立方形。
在某些时候需要手动修改X,Y,Z方向的网格数量。

初始网格由生成的基础网格和网格细化设置确定。
每一网格细化设置有它的标准植和等级。
细化标准(refinement criterion) 值确定了那些网格需要细化。
细化等级(refinement level) 确定被细化网格的最小尺寸。
相邻网格之间细化等级差异不能超过1。 
不管是否考虑网格细化,最小网格尺寸根据基础网格尺寸定义,所以基础网格的生成对于最终计算网格的生成至关重要。


区分物体之间的分界面

细小固体特征细化(Small solid features refinement)
曲面细化(Curvature refinement)
公差细化(Tolerance refinement)

公差细化
定义网格多边形接近表面的程度。
对于细化的固体尺寸进行更多的控制。
细化等级
设置一个网格细化为多少倍,以满足要求。
标准
控制网格多边形的精度-表面拟合
如果右图中的”h”值大于公差标准,网格会进行细化。

细化网格类型
通过使用细化网格(Refining Cells) 页,你可以细化某一类具体的网格。
细化所有网格(Refine all cells)
细化流体网格(Refine fluid cell)
细化固体网格(Refine solid cells)
细化部分网格(Refine partial cells)
根据基础网格( Basic Mesh )定义相应的细化网格等级。
N = 0…7
size will be in 2N times in each direction, or 8N times by volume, smaller than the basic mesh’s cells size.

狭长通道网格细化
通过使用(Narrow channels) 页你可以在模型的流动通道内定义额外的网格,以便获得更为精确的结果。

默认情况下在狭长通道内的网格细化总会进行。


定义控制平面
通过定义一些基础网格平面的位置,在指定的方向和区域细化或粗化网格。这些平面称之为控制平面(Control Planes),并且网格步长,也就是,相邻网格平面之间的距离。
控制平面可以从现有的模型表面中选取,通过坐标和滑动条选取。

定义局部初始网格 Flow Analysis, Insert, New Local Initial Mesh
局部初始网格 (Local Initial Mesh)对话框允许你在计算域的某个区域内定义网格,从而更好的对这一区域内的模型和流体进行求解。

通过一个物体,面,边或点来定义局部区域。

定义局部初始网格的方法类似于全局初始网格的定义
细小固体特征
分界曲面
狭长通道内网格
唯一的例外就是基础网格不是在局部初始网格中定义的


求解自适应网格
基于变量的变化,在求解期间自动进行网格细化
Menu
Flow Analysis -> Calculation Control Options -> Refinement
计算设置的不同选项
通过‘on/off’开启/关闭参数
设置选项
自动(Automatic)
手动(Manual)

网格划分建议
在最初使用默认网格设置 (default (automatic) mesh settings) 创建网格。
设置初始网格等级为 (Level of initial mesh) 为 3

判断 minimum gap size 和 minimum wall thickness,是否是合适值很重要
这会提供合适的网格值

不要关闭 the Optimize thin walls resolution 选项
因为它不需要过度的网格细化,就可以求解薄壁模型

进一步的分析所获得的自动网格
网格总数目

解决感兴趣的区域和狭长通道内网格

如果自动网格不能满足要求,并且改变最小分析尺寸(minimum gap size) 和最小壁面尺寸(minimum wall thickness) 值也无法产生明显的效果,你可以采用自定义网格(custom mesh)
  …
或,提高初始网格等级 Level of initial mesh 为 4 或 5,并且进一步观察
开始自定义网格,关闭狭长通道网格细化(disabled narrow channel refinement)而细小实体特征(Small solid features refinement level)和曲面细化等级(Curvature refinement level)均设为 0。
仅仅是0级网格 (仅仅基础网格)
使用控制平面优化基础网格。
之后,通过一步一步增加细小实体特征等级(Small solid features refinement level) 和曲面细化等级(Curvature refinement level)调整基础网格。最后,开启狭长通道网格细化。
最后,尝试使用局部网格设置  ( local mesh settings)

教程 7  网格优化 (必须)  尝试简化 PC 模型
教程 8EFD Zooming(可选)

第十讲 电子散热基础
目录
PCB 板和元件建模
简化和具体细节
IDF 输入
热过孔 (Thermal vias)
 EL-模块
PCB generator
2R 简化元件
焦耳加热
珀耳帖效应元件
对于 Flotherm 用户: FT 和 EFD之间的操作差异
==================================
EFD vs.FLOTHERM
=================================
EFD:
各种 (曲面) 几何模型
3-5 倍的计算时间和内存需求
自动划分网格
直接 CAD 模型输入
具有结构接口并且类似 CAD
适用很多流体动力学方面的物理问题
具有焦耳加热的 3D 电仿真

FLOTHERM:
矩形模型
非常快的计算能力
手动和即时的网格划分
半自动或手动转换输入 CAD 模型
定义物体和参数化元件
不需要 CAD 软件经验
Command Center 优化功能具有很强的应用性
只适用于电子散热领域
手动输入直走线上的电流

对于 FLOTHERM 用户而言仅有的 EFD 和 FLOTHERM 之间的操作差异
物体没有 keypointed
即便几何模型没有发生改变,但在从新定义材料等操作之后,需要从新进行网格划分。
复制几何模型的同时,不会复制物体特性
重叠实体之间以材料为序,而不是通过实体间的优先级
在求解的同时,无法进行前处理
对于非常复杂的几何模型,首次进行项目向导所需时间可能比较长
不具有并行功能
通过 save as 和 replace 重命名零件
EFD 具有更好的 2D 热源
功率的改变对温度的影响很慢
2-resistor 模型需要 2 个正确面积的块

散热模型要求
原则上,任何 CAD 文件都可用于电子散热的计算,然而
机械工程图包含了太多的细节
通常不是一个散热模型!
进行简化并且需要改进/替代
去除螺钉,管脚,引脚,封口等
封闭的孔洞
替代风扇的叶片模型和拉伸的打孔板
创建物理元件和板级模型

PCB板建模
不是仅仅使用环氧材料 (k=0.2 W/m K)
Level 0: k=10 W/m K
Level 1: 正交各向异性热导率
Level 2: 具有更多细节的独立层
Level 4: 所有回路(走路)。不建议

IDF 是一种标准的 ASCII 格式,用于板子轮廓和元件
*brd,*bdf  /  *emn,*emp  / *.bdf,*.ldf /  其它
There are dialects spoken
Specification available on demand
FLOTHERM 读取
仅仅边框很快
尺寸和名称可能过滤
EFD.lab 读取
所有细节很慢。
没有过滤
IDF 元件仅仅是 “图片”

IDF 修复
删除不需要的小元件
将它们的热功耗施加至整个板子上 
删除管脚和不需要的细节(孔洞)
通过元件模型取代芯片
2R
详细模型

PCB 生成器(EL 模块)
通过手动输入K值,可以将平板定义为PCB板子。
通过 PCB 生成器可以有更多应用
可以获得双轴热导率值,自动由PCB结构和定义的导体和绝缘材料确定PCB板垂直和平面方向的热导率。
PCB板也可以根据全局坐标系进行任意方向的布置。
也就是,可以对倾斜的 PCB 板进行建模。

建模建议:
PCB 的外形必须是矩形。
在一块倾斜 PCB 与另一块非倾斜的PCB 相交的例子中,推荐倾斜的PCB板直接插入至非倾斜 PCB 板或连接器中,并且需要对连接区域进行网格细化。
在右图所示的例子中,连接区域需要很好的解决:
最方便的方法就是在两个连接器和两个倾斜PCB边缘应用局部网格,之后对其设置相应的网格细化等级。

热过孔
热过孔通过一个实体建立,这一实体在垂直PCB板方向上具有等效导热系数。
需要了解详细的图层情况

封装建模
通常 CAD 元件库中不具有元件热模型

 

晶体管建模
Level 0:
仅仅使用一个铜块作为热源
删除辅助的装置(管脚,封装)
Level 1:
在塑料块内部增加一个硅芯片和铜
元件相嵌 (参见第三天内容)
Level 2:
利用管脚、芯片、粘合剂等建立热模型
其它 (逻辑) 封装
Level 0: 具有均匀热导率的块
k=5 to 20 W/m K
表征外壳温度
Level 1: 2-Resistor 简化模型
如果你认可 datasheets 中的数据
注意:只有在热量主要是向 PCB 板或芯片封装上部传递时,2R 模型的概念才是正确的。在差不多一半的情况下是不够精确的。

2R- 简化模型(EL 模块)
这是最为简单的网络简化模型,由结点至外壳 (Rjc) 和结点至板子 (Rjb) 热阻构成。

在 EFD中,以上两个参数被应用至由两个描述结和壳的两个实体块之上。

内置了标准的 JEDEC 封装双热阻模型。

建模建议:
外壳上表面应细分,以便最小化网格的尺寸,这些网格在上表面边缘划分 (图形中对应的蓝色网格)。

通过设置控制平面,轻微的将其由边缘移向表面中心或者在上表面采用局域化网格加密,可以满足这一要求。
差的结果:Cut off 的网格(蓝色网格)总面积不足。
良好的结果(定义四个控制平面): Cut off 的网格总面积可以忽略。

EFD: EL-模块功能列表  EDB = Engineering Database
升级
焦耳加热
双热阻简化模型
打孔板
热管简化模型
PCB 生成器
EDB: 元件双热阻模型库
EDB: 打孔板库
EDB:风扇厂商库
EDB:元件材料库
EDB: TEC 厂商库
EDB:电子固体材料库
EDB: 导热界面材料

打孔板(EL 模块)
这一简化模型可以用于描述具有大量小孔的薄板。不需要进行网格划分,只需直接描述孔的特征。
可以在其上定义边界条件,例如环境压力条件或已定义的风扇。 a
通过设置 Free Area Ratio 、孔的形状(圆形、矩形、多边形)和尺寸可以定义打孔板。
自动计算压降损失系数 (Pressure drop coefficient)。

电方面效应 “焦耳加热”(EL 电子模块)
导电体中稳态直流电。
焦耳加热的影响 R*I2 会自动进行计算,并且可以包括在热交换计算中。
材料的电阻可以使各向同性、各向异性和随温度变化。
只能在导电固体中计算电压和电流,也就是金属和含有金属的材料。
绝缘材料,半导体,流体和空的区域不参与至焦耳加热的计算中。
 
建模建议
建议很好的处理那些没有与全局坐标系对齐的薄元件,例如:薄曲导线。在厚度方向有5个网格可以获得比较良好的薄曲导线仿真结果。如果元件与全局坐标系对齐(不弯曲、未与网格成角度),则不需要细化该元件的网格。
对于高导材料而言,建议提高网格求解精度。
接触的区域也应通过计算网格进行很好的处理。

热管简化模型(EL 模块)

热管的简化描述需要定义热管的总有效热阻(overall effective thermal resistance) ,这主要基于被设计系统的性能、元件对齐方向、定义的热流方向两个面。
热管的性能受很多因素影响,例如:倾斜方向、长度等。通过定义不同的有效热阻(effective thermal resistance)用户可以仿真模拟不同的情况。
避免了模拟热管内部复杂的相变过程。

Engineering Database – 升级(EL 模块)
功能
大量固体、风扇、热电制冷元件、双热阻元件被添加至工程数据库中(Engineering Database)。
增加了导热界面材料库。
增加了一个实体描述的常用 IC 封装库,它将IC封装简化为具有等效密度、比热和热导率的一维实体,从而用于仿真模拟。

获益
用于可以直接进行预定义和验证电子元件的相关特性,这些元件是用户设计中所采用的。
方便用户选择合适和正确的元件数据。
通过用户自己定义或者用户希望添加库中没有的元件供应商数据,工程数据库可以进一步的扩展。
EDB: 风扇制造商库 (EL 模块)

EDB: 元件材料库 (EL 模块)
支持 JEDEC 标准的综合性数据库,JEDEC 制定了单片机封装元件热模型的标准。
支持以下封装类型:CBGA, Chip Array, LQFP, MQFP, PBGA, PLCC, QFN, SOP, SSOP, TQFP, TSOP, TSSOP

EDB: TEC 制造商库 (EL 模块)
支持 Marlow 和 Melcor 的产品。

EDB:电子固体材料库 (EL 模块)
升级分类,包含了电子领域常用的材料。
包含了所有合金、陶瓷、玻璃、矿石、压层板、金属、聚合体和半导体等材料特性。
对于常用的 IC 封装,包括了一个 one-resistor 库。

EDB: 导热界面材料库 (EL 模块)
支持 Bergquist, Chomerics, Dow Corning 和 Thermagon 等厂商的导热界面材料
接触热阻经常是用户所需要考虑的,并且合适的数据很难确定, 所以这些基于制造商的数据一般认为是可靠和可信的。

FloEFD资料下载:  FloEFD培训实例8-14讲.pdf

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