Flotherm高级培训:其它使用技巧(Tips and Tricks)
Flomerics中国代表处
热仿真http://www.refangzhen.com 60min
热仿真的理论
控制方程
通称为Navier-Stokes 方程
包括质量动量能量三个守恒方程
Navier-Stokes方程：
质量守恒方程：动量守恒方程：能量守恒方程：
有限体积法Vs有限元法
有限体积法：从描述流体运动和传热的守恒型控制方程着手，通过对
控制体积作积分计算进行求解。为目前CFD计算运用最普遍的一种方法。
有限体积法
物理意义明确,物理学家的方法
通过控制每个网格(有限体积)的物理量守恒来进行求解;
方法为守恒型的方法,可保证能量动量质量的守恒
方法可靠,鲁捧性(ROBUST)强,适用于涉及流动的热流仿真
占有内存少,求解速度快
进行热流求解时一般全面考虑传导对流和辐射
适合于使用结构化网格
有限元法
物理意义不明确,数学家的方法 通过变分方法建立起联系各个单元(点)的方程进行数值解算
方法的离散方式不能保证守恒,并非守恒型方法
在求解高度非线性方程如自然对流问题时,可能会有收敛的问题,求解鲁棒性(ROBUST)差
不适合作流动计算,进行热流求解时一般简化考虑对流和辐射
占有内存多,求解速度慢
适合采用非结构化网格
有限体积法的SIMPLE算法 计算流程
求解域的设定
求解域大小设定
机箱壁面向外的对流换热必需通过放大求解域来确定
自然对流密闭系统
强迫冷却
机箱壁面向外的对流换热可简单通过设定一表面换热系数来确定如估计95%以上的功耗为风扇的冷却风带走，可称之为强迫对流，否则依自然对流设定方法
求解域的设定-Cutout的使用
Cutouts 可使用于:
–求解域内任何区域,包括与求解域相领区域
–求解域外,只要有一个面与求解域相领或者部位在求解域内
通过求解域定义的边界条件,如与Ambient或Global中设定的边界条件冲突,则无论如何Cutout的优先级要高
辐射的设定
什么时候需要计算辐射：
自然对流、密闭系统、外太空等辐射换热量较大的情况热辐射光谱 可见光区: = 0.38-0.76 m
热辐射波段: = 0.1-100 m
(发射率)吸收率的波段选择性
物体表面在不同光谱波段具有不同的吸收率
太阳辐射能量集中在紫外7%可见50%红外43%;
普通辐射主要集中在红外区
太阳辐射的吸收率α≠红外辐射的吸收率ε
辐射计算基本理论
辐射交换系数Fi,j：从一个表面i辐射出来的能量直接投射或经其它表面一次反射／多次反射最终为表面j吸收的份额；
角系数Fi,j：从一个表面i辐射出来的能量下直接投射到其它表面的份额；
计算辐射交换系数的Monte-Carlo法
原理:将某表面通过辐射传递出去的能量分为若干随机发射的能量束,最后统计各个表面接收这些能量束的数目.
发射:随机方向发射;
吸收:根据吸收率随机吸收;
反射:随机方向反射
FLOTHERM辐射交换计算的精度
普通精度的辐射计算:
辐射交换系数的计算精度控制在5%以内;
高精度的辐射计算:
辐射交换系数的计算精度控制在1%以内,相对而言,计算时间为普通精度辐射计算的四倍左右;
辐射交换系数绝对满足归一性Debug.pts
将附带Debug.pts文件放入项目文件夹/DataSets/BaseSolution/PDTemp下,重新计算
辐射交换系数,便可在/DataSets/BaseSolution/Exchange 下观察到viewf.log
各表面参与辐射计算的方式
各个表面都可以控制是否参与辐射计算
该面不参与辐射计算
该面视同一点进行辐射计算
该面细分为多个小平面进行辐射计算
进行辐射仿真的三步骤
1.打开辐射计算开关Radiation on；
2.对各表面添加Radiation属性；
3.定义各表面黑度Emissivity；
如何在FLOTHERM软件中定义外太空计算环境
1)设置计算类型：消除对流的作用；
2)消除流体的热传导作用；
3)进行辐射计算设置；
将FLOTHERM软件中的默认的流体热传导系数设为1e-10至1e-15W/mK
菜单->Model->Modeling 右键点击参与辐射物体->Radiation
右键点击参与辐射物体->surface或者编辑Material属性中surface name项
Flotherm太阳辐射的定义
FLOTHERM跟据物体的朝向、所处纬度、工作日期与工作时间进行太阳辐射天顶角和周向角的计算；
太阳辐射的强度可以指定；
分别考虑了太阳辐射的吸收率α与红外辐射的吸收率ε
透明表面：吸收？反射？透射？
自动计算太阳方位角和辐射强度 打开Solar radiation面板
设备的朝向
设备的纬度
工作日期
工作时辰
云遮挡比例
太阳常数:1353W/m2
Flotherm多网格求解器(Multi-grid solver)
1)多网格求解技术只加快温度项的收敛速度;
2)多网格求解器与普通求解器(Segregated Conjugated Residual
Solver)得到的收敛解同样可靠;
3)极少极少数情况下,多网格求解器会造成收敛困难;
4)多网格技术也可以称着一种全面的块修正(Block Correction)技
术,因此在FLOTHERM软件中,如应用多网格求解器,就不会使用块
修正技术
风扇的建模-Swirl的建模
轴流风扇的Swirl
–为风扇工作点的一个函数
–在以下情况需要格外考虑:
–风扇工作点较高,出风压力较大
–器件排布不规则,尤其是斜置时
–关键器件离风扇较近时
Swirl 可能会很重要 (高风压处)
Swirl 可能不太重要 (低风压处)
风扇的建模-Swirl的建模
两种Swirl形式
–Constant Speed
–不管风扇工作点,恒定风扇的转速
–好好观察一下风扇的厂家数据,可能会有提示
–用户指定风扇的转速
–Flow Dependent Speed
–风扇转速为风扇工作点的函数
–通常在很多情况下会比较准确
–输入的转速一般为风扇的最大转速(指定电压下)
风扇的并联和串联
风扇的失效分效
不直接考虑风扇失效后扇片的阻尼作用
风扇的特性
基本的风扇定律
风扇转速发生改变时空风密度发生改变时
流量CFM2 = CFM1(RPM2/RPM1) CFM2 = CFM1 (density2/density1)
压头P2 =P1 (RPM2/RPM1)2 P2 = P1 (density2/density1)
功耗HP2 = HP1 (RPM2/RPM1)3 HP2 = HP1 (density2/density1)
噪声N2 = N1 + 50 log10 N2 = N1 + 20 log10
(RPM2/RPM1) (density2/density1)
电压与功耗的关系
–Power = V I
–(V1I1)/ (ΔP1G1) = (V2I2)/ (ΔP2G2)
离心风扇的建模
在FLOTHERM V6.1中，采用Recirculation
Device进行离心风扇的建模
在drawing board中建立离心风机
User support区域的风扇建模方法
Flotherm离心风机建模示例
离心风扇的效率
效率=:不均匀出风消耗能量/均匀出风消耗能量
热管的设定Heat Pipe
V6.1以下版本:采用一高热传导系数的立方块(k=20000W/mK)代替
V7.1专门的热管模型
阻尼与打孔板的设定
两种阻尼计算模型:
–Standard
–Advanced
Standard resistance formula:
–假设Δ p α v2
–恒定的压力损失系数f
Advanced resistance formula:
–假设Δ p α vn
–压力损失系数f 为与Re相关函数
–f = a/Re + b/Reα
采用Standard 阻尼公式得到压力损失系数f
v为接近速度(Approach Velocity)
采用Advance 阻尼公式得到压力损失系数f
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常见的压力损失系数
基于接近速度approach velocity 下的压力损失系数为: 0 < fd < ~1,000
基于穿越速度device velocity下的压力损失系数为is: 0 < fd < ~3
对于圆孔或丝网等流体流入流出变化较平缓： fd~1.0 (基于穿越速度device velocity).
对于流体流入流出变化较剧烈的孔板： 1.0<fd<2.0 (基于穿越速度device velocity).
常见的压力损失系数
注fd/fa=b2
fd= 基于穿越速度device velocity的压力损失系数
fa=基于接近速度approach velocity的压力损失系数
b= 开孔比率
Swirl设置＋平面阻尼的产生问题
在流体流动速度方面带有一点角度时，尽量使用体积阻尼
风扇Swirl的影响 平面阻尼或是体积阻尼
Flotherm并行处理
普通计算中的并行处理Menu PM Edit/Preference
并行处理需要并行处理的License
优化计算中的采用多个License进行计算
Menu CC Edit/Solver Configuration
优化计算中的并行处理Menu CC Edit/Solver Configuration
优化计算中的网络并行处理Menu CC Edit/Solver Configuration
网络并行处理详细设置见HELP
Flotherm资料下载: FLOTHERM软件高级培训PPT.pdf
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