EFD.Pro电子产品散热教程(上.pptx

1Simulating the Real World Lecture 1 介绍 2Simulating the Real World EFD的定义 EFD英文全称为Engineering Fluid Dynamics 即 工程流体动力学 EFD是一款高级而又灵活易用的流体流动与换热 分析软件。 3Simulating the Real World EFD的分类 EFD.Lab: 通用的流动与换热动分析软件 EFD.Pro: 完全集成于 Pro/ENGINEER中 的EFD.Lab版本 EFD.V5:完全集成于CATIA V5中的 EFD.Lab版本 4Simulating the Real World 分析类型 内流分析-Internal flows 例如，管内流动、容器内流 动、 建筑物内流动。 外流分析-External flows 例如，绕飞机、绕汽车、绕建 筑物流动等等。 5Simulating the Real World 流体类型及压缩系数 气体 / 液体 牛顿 /非牛顿流体 压缩与不可压缩流体 蒸气 6Simulating the Real World 不可压缩流体 = (T, y), = (T), = (T), = (T), Cp= Cp(T) 可压缩流体 = (T, P) 对数律: 指数律: 理想气体 M, = (T), = (T), Cp= Cp(T) 7Simulating the Real World EFD的应用 汽车 航空 电子 机械 食物 石油天然气 能源 制冷通风与空 调 阀门与灌溉设 备 环境 医疗 8Simulating the Real World Lecture 2 EFD.Pro 实例讲解 9Simulating the Real World 这一阶段我们将以HB7216L的机型为例进行讲 解，展现了如何对涉及到固体导热的流动分析 进行每一步基础的设置。这个例子的基本原则 是适用于所有的散热及内流动的问题。 序 10Simulating the Real World 打开模型 1. 将绘制好的HB7216L模型文件复制到你的电脑； 2. 打开带有EFD.Pro的Pro/E软件，点击文件设置工作目 录，指定Pro/E的工作目录到HB7216L文件夹下； 3. 点击文件打开，浏览HB7216L文件夹找到hb7000l- 20110607.asm组件并点击打开； 11Simulating the Real World 准备模型 在这个分析组件中存在很多特性,零件或子组件不需要 分析。使用 EFD.Pro 之前,仔细检查模型中不参与到分析 中的元器件是一种良好的软件使用习惯。剔除那些不参与 到分析中的元件可以减少对计算机资源的要求和求解时 间。 这个组件中包含了如下一些元件：外壳，主板，PCB 板，电容，电源，散热器，芯片，风机，螺钉，风扇支架 ，盖子等。通过点击 Pro/ENGINEER 模型树中的特征，你 可以看到所有的这些元器件。在这个教程中我们通过对入 口盖子内表面处的 Fan 设定一个边界条件来对风机进行仿 真。这个风机的几何外形比较复杂，重新生成的话需要一 定时间。因为风机的外壳在机壳之外，所以我们可以将其 压缩（Pro/E功能）从而加快 Pro/ENGINEER 的操作。 12Simulating the Real World 检查模型 1.点击Flow Analysis Tools Check Geometry 打开检查几何文件对话框； 2.点击Check检查几何文件 13Simulating the Real World 创建EFD.Pro项目 1.点击 Flow Analysis Project Wizard打开向导对话框； 2.点选create new,以便创建一个新的配置，命名为HB7216L， 点击Next； 3.选择SL（国际单位），将Main对话框中的Temperature单位 修改为 C，点击Next； 14Simulating the Real World 4. 设置分析类型为 Internal，在物理特性下勾选 Heat conduction in solids，以及Radiation，点击Next 5. 展开 Gases 夹并且双击 Air 行。保持默认的 Flow Characteristics。 15Simulating the Real World 6. 展开 Alloys 文件夹并且选择Steel Stainless 321 为 Default solid ，点击Next； 7. 修改Default outer wall thermal condition的参数值（Value）为 Heat transfer coefficient（热传递系数），将热传递系数设为10 ，温度保持不变，其它设置也不变，点击Next； 16Simulating the Real World 8. 对此页的所有数据均不做修改，直接点击Next； 9. 接受 Result resolution 的默认值并且保持自动设置 Minimum gap size 和 Minimum wall thickness，点 击 Finish。现在 EFD.Pro 利用赋值数据方式创建了 一个新的例子。 17Simulating the Real World 前面的设置为整个向导（Wizard）设置过程，总观之，向导 包含以下几个方面的内容： 项目配置 单位系统 分析类型 默认流体 默认固体 (必须勾选固体间导热选项) 壁面条件 初始条件 (对外部分析而言就是初始与环境条件) 结果与计算“精度” 18Simulating the Real World 此时，PRO/E左边的分析树会出现我们刚刚定 义的新例子，在后面的操作中都会在这里表现 出来，需要编辑这些操作也只需要在这里编辑 即可。 同时模型中的周边也出现了一个黑色线条组成 的外框，此外框包围的部分即为求解域。 19Simulating the Real World Lecture 3 目标和条件 20Simulating the Real World 定义风扇 风机就是一种流动的边界条件。你可以在没有定义边界 条件（Boundary Conditions）和来源（Sources）的固体表 面处来定义风扇（Fans），也可以在模型的入口或出口处人 工的加一个盖子来定义风扇。还可以在内部流动区域的面上 定义内部风扇。 风机被认为是体积流量（或质量流量）随着选定的进出 口面上压降不同而变化的理想装置。风机的体积流量与静压 降的特性曲线来自工程数据库（Engineering Database）。 21Simulating the Real World 1. 点击 Flow Analysis Insert Fan，Fan 对话框出现； 2. 在Fan选项中就定义一个合适的风扇或是自己新建的风扇； 3. 在Fan Type中选择External Outlet Fan； 4. 如图所示选择FAN.PRT的内表面，点击确定； 22Simulating the Real World 5. 在 Settings（设置） 页展开 Thermodynamic Parameters （热力学参数） 项，检查Ambient pressure（环境压力） 是否为大气压力； 6. 返回到 Definition（定义） 页，接受Face Coordinate System 作为参考 Coordinate system（此为系统默认值） ； 23Simulating the Real World 7. 接受 X 作为 Reference axis（此为系统默认）； 8. 点击 确定，新的 Fans 文件夹和 External Inlet Fan 1 项出 现在 EFD.Pro 左边的分析树中。 24Simulating the Real World 定义边界条件 除了开口处定义了风机之外，任何流体流经系统处都要定 义边界条件。边界条件可以 压力（Pressure）, 质量流（Mass Flow）, 体积流（Volume Flow） 或 速率（Velocity）的形式定 义；也可以使用边界条件（Boundary Condition）对话框来定 义 理想墙壁（Ideal Wall）边界条件，这个边界条件可以是绝 热、无摩擦壁面；或定义真实墙壁（Real Wall）边界条件，这 个边界条件可以设置壁面粗糙度或者温度以及模型表面的热交 换系数。对于具有内部固体导热的分析，你也可以通过定义一 个 外墙（Outer Wall）边界条件来对模型外壁面设置一个热特 性边界条件。 25Simulating the Real World 1. 在 EFD.Pro 分析树，右击Boundary Conditions（边界条件） 图标并且选择 Insert Boundary Condition。 2. 选择所有通风口的内表面（图中通风口均用实体给代替了） ； 3. 选择Pressure openings并选中Environment Pressure； 26Simulating the Real World 4. 点击Settings，保持 Settings 页中的默认设置； 5. 点击确定；新的 Environment Pressure 1 项出现在 EFD.Pro 分析树中。 27Simulating the Real World 多孔板定义 定义多孔板是为了通过定义流动区域的百分比来方便的考虑 孔的效应。 在此模型中并未定义多孔板，即将孔的利用率假定为100% ； 此处只介绍下打孔板的定义方法，有兴趣的可以试着定义： 1. 点击 Flow Analysis Tools Engineering Database。 2. 在数据库（database）树中选择 Perforated Plates（多孔板）, User Defined（自定义）。右击并且选择 New Item； 3. 根据模型情况选择相关数据及相应的有效截面积比例并保存，退出； 4. 点击 Flow Analysis Insert Perforated plate； 5. 选择EFD.Pro 分析树下的 Environment Pressure 1 项； 6. 点击 Browse 进入 engineering database。从Database tree, User Defined 中选择新建的打孔板。 7. 点击确定，新建的 Perforated Plate 1 出现在 EFD.Pro 分析树中。 28Simulating the Real World 定义热阻 我们将电子封装热性能简化为两个热阻块结合在一起的双热 阻模型； Rjb 和Rjc 分别是芯片结点至PCB板和芯片外壳的热阻。双热 阻模型的其它表面是绝热的。EFD.Pro 要求通过建立一个块来创 建芯片结点和外壳结点。 29Simulating the Real World 1. 在工程数据库中点选Two-Resistor Components, User Defined，右击并且 选择 New Item； 2. 在新建选项中输入相应的参数，点击Save，Exit； 3. 点击 Flow Analysis Insert Two-Resistor Component 4. 点击 Browse 进入至 Two-Resistor components 预定义 Engineering Database 列表，选择刚刚新建的热阻部件； 5. 定义 Heat generation rate的数值； 6. 在Case body、Junction body中分别从EFD.Pro 模型树中选择外壳和结点 CASE 、JUNCTION； 7. 点击 OK，新建的 Two-Resistor Component 1出现在 EFD.Pro 分析树中。 30Simulating the Real World 定义热源 热源是模型中重要的一部分，顾名思义，只要模型中发热的 部件都可以定义热源，通过定义热源可以赋予发热元件的功率或 者温度等；定义的热源分为体积热源和表面热源，可根据实际情 况来定。 1. 点击 Flow Analysis Insert Volume Source ； 2. 在Source type中选择Heat Generation Rate（热 功率）； 3. 在Pro/E模型树中选中所有MAIN_CHIP元件； 31Simulating the Real World 4. 在 Settings 页的 Heat Generation Rate 中输入元件总功率 5W； 5. 点击确认，在 EFD.Pro 分析树中会出现VS Heat Generation Rate 1的选项； 32Simulating the Real World 6. 遵从上述相同步骤，对以下体积热源进行设置： PCB上的其他主要元件，在模型中命名为CPU PCB上的所有电容（CAPACITOR），设置电容 时Source type项选择为Temperature，并设置温 度为38 C 电源插口，设置其温度为50 C 33Simulating the Real World 创建新材料 这里是为了创建符合我们要求的PCB板和芯片的材料，为 后面定义固体材料做准备。 1. 点击 Flow Analysis Tools Engineering Database； 2. 在数据树中选择Materials Solids User Defined； 3. 点击右键选择New Item； 4. 按照PCB的属性设置相应的数值； 34Simulating the Real World Name = Tutorial PCB， Comment = Isotropic PCB， Density = 1120 kg/m3， Specific heat = 1400 J/(kg*K)， Conductivity type = Isotropic Thermal conductivity = 10 W/(m*K)， Melting temperature = 390K 下面给出一组数值，供参考所用： 35Simulating the Real World 5. 转到Items 页，点击工具栏处的New Item，继续添加 材料； 6. 根据芯片的特性填写相应的数值； 下面给出一组数据，供参考之用： Name = Tutorial component package， Comment = Component package， Density = 2000 kg/m3， Specific heat = 120 J/(kg*K)， Conductivity type = Isotropic Thermal conductivity = 0.4 W/(m*K)， Melting temperature = 1688.2 K 7.点击 Save，退出工程数据库。 36Simulating the Real World