Flotherm学习教程-(课堂)课件

Flotherm学习产品开发部沈金南2012-05-03

1Flotherm是一套专门为电子散热领域所设计的商业CFD软体.CFD为ComputationalFluidDynamics的缩写,意思为计算流体力学.所谓‘计算’,是指利用电脑程式来解决的意思.亦有称为数值方法.以往在解决散热问题可以用三种方式:

1.理论解析:利用数学方程式解决.但此种方式,仅适合非常简单的问题.在真实世界几乎无法用此种方式来解题.

2.实验:直接量测.此方法为最准确.但是必须要有实际的产品才可做到.

3.数值方法:系利用电脑程式来解决散热问题.可以在无实体的情况下,自由去做模拟.Flotherm介紹1Flotherm介紹2

2CFD软件在计算什么呢?所有CFD软件均是在计算压力,速度,温度,此三个变数.因为此三个变数是构成流体力学,热传学的基本物理量.由于速度是向量,所以在表达速度时,习惯以X,Y,Z三个方向的分量来做表示.亦即Vx,Vy,Vz.因此,CFD软件在求解五个变数,P:压力Vx:X方向的速度.Vy:Y方向的速度.Vz:Z方向的速度T:温度.Flotherm介紹3

3准确度一直是CFD软件最为人挑剔的地方.有几项因为影响到CFD软件的准确度:软件本身的程式:沒有人会看的到程式,也不知道程式写的对不对.使用者本身的能力:CFD牵涉到流体力学,传热学,材料性质等专业知识.使用者要能具备这些知识,才能有效运用CFD软件.总之,沒有一套CFD软件是十全十美的.就像一部车子,驾驶人必须要操纵过它,才能掌握车子的性能.同样,工程师要灵活运用Flotherm,也必须要花时间去‘操纵’它,才能体会Flotherm可以为你做什么.Flotherm的应用

4版级和模块级元器件级系统级环境级Flotherm的应用

5液冷分析：可以分析含多种冷却介质的散热系统，如对液冷、风冷同时存在的电子设备或冷板等的热分析；

多项冷却介质冷却模型

Flotherm的建模

6参数化的建模功能

Flotherm软件提供了专门应用于电子设备热分析的SMART-PART技术，提供了电子设备的参数化三维建模：1)基本几何形体的建模：提供了立方体、棱柱、圆柱、圆球、斜板等基本形体的模型建立：

Ascom公司的散热模组分析

Rcal公司的雷达防御系统热分析

Flotherm的建模

72)典型电子器件的建模：提供了机箱、风扇、散热器、滤网、热交换器、热管、冷板、TEC(半导体制冷器)等电子设备内的常有器件的参数化模型建立：

TEC和机箱型

离心风扇与轴流风

Flotherm的建模

83)简化模型的建立：可以进行模型的简化，软件提供了薄板导热模型和热阻-热容网络模型，同时也提供热源和阻尼模型的建立，将器件的热源特性和阻尼特性进行输入仿真：

薄板模型热阻-热容网络模型Flotherm的建模

94)高级Zoom-in功能：

高级Zoom-in功能可将上级模型计算结果作为下级模型计算的边界条件，使得模型计算结果层层传递，从系统级到子系统级，简化计算过程，减轻工作量，从而大大缩减模型分析时间。

10运用Flotherm的几个原则要非常熟练模型的建立.把它当作是在画Pro/E,AutoCad.要能合理的简化模型.实际的Cooler都还太复杂,适当的简化可以增进模拟的效率.格点越少越好以简单而不失真的外型来取代原始的外型.每一个模型都要合乎热传与流场的观念:热传:热的传递路径与方式流场:空气的流动路径学习项目

11No学习项目1熟悉各种工作视窗2熟练快速键3熟练各种模型的建法4利用MCD将Pro/E的图型转入Flotherm5熟练Library的使用6熟练各种模型的“性质”定义7调整网格8执行计算9功率模块的建模10功率模块仿真结果分析11功率柜仿真学习项目1

12学习项目熟悉各种工作视窗熟悉各种工作视窗

13No工作视窗1ProjectManager2DrawingBoard3FloMotion4LaunchTables5ProfilesWindows6FLO/MCAD熟悉各种工作视窗

14No工作视窗功能1ProjectManager类似文档总管.管理所有的物体2DrawingBoard类以Auctocad.具有绘图功能3FlowMotion可做动态显示.4LaunchTables性质表.显示各个物体的性质,及各种资料5ProfilesWindows执行状态曲线6FLOMCAD可将IGS文件转入至FlothermProjectManager

15档案管理复制,移动,阵列视图管理工具选项模型网格划分运算DrawingBoard

16物件分层DrawingBoard

17翻转调整显示工具显示网格的资料对齐工具自动对齐工具视角视窗切换工具测量尺寸工具指标与手切换工具背景顏色切换工具学习项目2

18学习项目熟练快速键快捷键

19No快速键功能1F3目录管理:独立出来2F4目录管理:完全关闭3F5目录管理:回到上一层4F6目录管理:完全展开5F9切换指标/游击手6F7叫出/关闭绘图列7F12隐藏物体8R回覆至原来的画面No快速键功能S呈现实体状态W呈现骨架状态G显示网格线Tab切换各种视角画面学习项目3

20学习项目熟练各种模型的建法

21熟练各种模型的建法No工作视窗功能用途1Cuboid产生一个矩型体最常用2Resistance产生一个流阻机壳上的通风口3Source产生一个热源CPU的热源4PCB产生一个主机板5Enclosure产生一个中空的封闭体机壳6Fan产生一个风扇风扇7Region产生一个可供量测的区域

22熟练各种模型的建法No工作视窗功能用途1Prism产生一个三边体偶尔用2Assembly产生一个目录最常用3HeatSink产生一个Heatsink最常用4SlopingBlock产生一个斜板体5Cylinder产生一个圆柱体几乎不用6Monitor产生一个温度监测点一定要用

23绘图指令列翻转调整显示工具显示,隐藏网格对齐工具自动对齐工具视角视窗切换工具测量尺寸工具指标与手切换工具背景顏色切换工具一些技巧

24No指令功能1Move移动物件2Pattern阵列复制3Align对齐物件4Collapse(压缩)将3D物体压缩成一个平面.常用于处理锡膏,TIM上.注意:被Collapse的物体,其厚度仍是存在的.5DecomposeSmartPart将模型分解至基本图型.常用于Heatsink,Enclouser一些应用观念

25No1在Flotherm里,可以建立3D物体,也可以压缩之,使其成为2D平面.2后建的物体会‘’吃掉‘’先建的物体3Fan可以‘’吃掉‘’平面的Cuboid4Resistance可以‘’吃掉‘’平面的Cuboid56物件分层

26建立一个机壳

27No操作1建立一个Enclouser,当作机壳2设定相关尺寸:外部尺寸,机壳厚度(1.5mm)3利用DecomposeSmartPart,将之分解成独立的6面.4设定通风口:建立2D-Resistance5设定通风口的通风率.建立一个电源供应器PSU

28No操作1建立一个Enclouser,当作机壳2设定相关尺寸:外部尺寸,机壳厚度3利用DecomposeSmartPart,将之分解成独立的6面.4建立3D-Resistance,当作整体的流阻5建立3D-Source,当作整体的发热量6设定通风口:建立2D-Resistance7设定通风口的通风率.8建立风扇学习项目4

29学习项目利用MCD将Pro/E的图型转入Flotherm首先,将Pro/E的图转成IGS档.启动FLOMCAD视窗

30呼叫IGES档案1

31呼叫IGES档案2

32选择要转入的IGS档.呼叫IGES档案3

33转入成功!呼叫IGES档案4

34转入的图型呼叫IGES档案5

35开始处理转入的图型呼叫IGES档案6

3636分解转入的图型分解成功!分解后的复杂度呼叫IGES档案7

37将FLOMCAD图型转入至Flotherm內呼叫IGES档案8

38这个画面是在說:图档已经转入至Flotherm內,并且清除了在FLOMCAD的图学习项目5

39学习项目熟练Library的使用1.Library:资料库2.在Flotherm里,可以将常用的物件存进Library.方便随时取用.3.例如常用的CPU,Fan,Heatsink均可以将其存进Library,尔后就不需要重新建立.省时方便.Library的动作

40学习项目1将已建好的物体存进Library2将Library里的物体呼叫进现在的专案里3将Library里的物体传出去给別人使用.4将外部的档案,呼叫进自己的Library(1)将已建好的物体存进Library

41以单一SmartPart为例步骤1先建一个heatsink,并命名为HS1.2点选之,按右键,进入Location.点选Library.便会自动出现右边画面3在SelectionForm下选择Project.此时将会出现HS14在中间栏位输入HeatSink,按Save.(此动作是在Library里建立一个HeatSink的群组,并将HS1存此此群组下.)5结束.退出视窗.可到ProjectManager/External/Library里去检查是否有HeatSink这个群组存在.(1)将已建好的物体存进Library(续)

42步骤1先建一个Assembly,并命名为.里头建立所有PSU所需的物件.2点选PSU1,按右键,进入Location.点选Library.便会自动出现右边画面3在SelectionForm下选择Project.此时将会出现PSU14在中间栏位输入PSU,按Save.(此动作是在Library里建立一个PSU的群组,并将PSU1存此此群组下.)5结束.退出视窗.可到ProjectManager/External/Library里去检查是否有PSU这个群组存在.以Assembly为例(2)将Library里的物体呼叫进现在的专案里

43步骤1先随便建一个heatsink.2点选之,按右键,进入Location.便会自动出现右边画面3选择HS1.按下Load.(此动作是将Library里HeatSink群组下的HS1呼叫进目前的专案.)4结束.退出视窗以单一SmartPart为例(2)将Library里的物体呼叫进现在的专案里(续)

44步骤1直接点选RootAssembly,按右键,进入Location.选择PSU,便会自动出现右边画面2选择PSU1按下Load.(此动作是将Library里PSU群组下的PSU1呼叫进目前的专案.)3结束.退出视窗以Assembly为例(3)将Library里的物体传出去给別人使用

45步骤1到ProjectManager/External/Library里去点选PSU群组.2按下Export.(此动作是将Library里PSU群组传出去.3选择档案储存的位置,并输入档名,按开启(O).4结束以刚刚建立的PSU为例

46(4)将外部的档案,呼叫进自己的Library步骤1到ProjectManager/External/Library里,按下Import.(此动作是要从外部叫进一个Library档)2选择到放置档案的位置,点选之,按开启(O).3结束.(可到ProjectManager/External/Library里去检查是否有PSU这个群组存在.)4以刚刚建立的PSU为例

47学习项目6学习项目熟练各种模型的“性质”定义

48熟练各种模型的“性质”定义No性质功能1Location设定位置,大小,是否薄面2Material设定材料的导热系数3Surface设定表面顏色,粗糙度4Thermal设定热传模式.一般热传或发热体5Radiation设定辐射67

49“性质”定义:Location取名字位置座标尺寸大小薄面设定薄面压缩方向的选择

50“性质”定义:Material新增一种材料性质从材料库里直接叫出使用

51Material:新增一个材料给予名称设定热传导系数的特性输入热传导系数输入密度输入比热输入表面性质及顏色

52Material:从材料库里找一个材料用1.从材料库中选择一个材料.2.按下Load3.按下Dismiss,离开此视窗123

53Material:最后确认1.选择你要的材料；2.按下Attach；3.确认在CurrentlyAttached栏位里出现你选择的材料；4.按下Dismiss离开此视窗1234

54“性质”定义:Surface新增一种表面性质从表面库里直接叫出使用

55Surface:新增一个表面给予名称设定表面状況设定表面顏色按下OK储存此表面,并离开此视窗

56Surface:从表面库里找一个表面用561.从表面库中选择一个表面.2.按下Load3.按下Dismiss,离开此视窗123

57Surface:最后确认1.选择你要的表面；2.按下Attach；3.确认在Attachment栏位里出现你选择的表面；4.按下Dismiss离开此视窗1234

58“性质”定义:Thermal新增一种热传性质(通常只用在需要给予发热量时,才会用到)从热传库里直接叫出使用(但从来沒用過)

59Thermal:新增一个热传给予名称设定热传状況设定发热瓦数按下OK储存此表面,并离开此视窗

60Thermal:最后确认1.选择你要的热传2.按下Attach3.确认在CurrentlyAttached栏位里出现你选择的热传4.按下Dismiss离开此视窗1234

61学习项目7学习项目调整网格(1)网格的功能?(2)为什么要调整网格?(3)网格那些限制?

62网格的功能网格,Grid,就像是磁砖.一块一块的布滿在整个系統.格线,Gridline,构成网格的每一边.格点,Node,每条格线的交点.只要定出原点,则每一格点都有其固定的座标.CFD软件就是利用这些格点作数值运算,解出该点上的压力,速度和温度.每一网格內的区域,就由组成代表那一区的格点去做迭代,得出压力,速度,温度.

63为什么要调整网格网格就像是磁砖.一块一块的布滿在整个系統.贴磁砖时,一定是整整齐齐的贴,而且均分布.这样才会好看.同样的,在CFD软件里面,网格要尽量一致,计算起来才会快速且准确.若是网格的形状太奇怪,则很容易造成计算上的错误,甚至无法计算.

64相关视窗1:GridSummary64总网格数目,尽量少于1百万所有的AspectRations尽量小于100SmallestGridCell的Size尽量大于0.1mm功能:显示目前网格的状況.网格有任何变动,均会显示在此视窗.

65相关视窗2:Grid欲增加网格的方向修改工具列功能:提供自行增加网格的功能增加网格的方式

66相关视窗3:Table/Grid66功能:显示每一条格线的位置,及所属的物体Active:有效De-Active:无效

67操作示范1:新增网格

68操作示范2:使网格线失效Active:有效De-Active:无效

69练习一:建立散热器分析模型No项目应用1建立一个主机板Cuboid2建立一个CPU取自Intel3建立一个HeatSinkCuboidorHeatsink4建立一个FanCoverCuboid5建立一个风扇Fan6建立TIMCuboid+Collapse7建立侦测点(Monitor)Monitor8建立侦测面(Region)Region9调整网格

70学习项目8学习项目执行计算

71执行前先作检查做检查

72执行前先作检查检查后,确认无任何错误讯息后,再执行计算.

73按下GO,就可计算开始计算

74计算时,会出现Profile视窗左边视窗:

表示收敛曲线.当5个变数的收敛曲线均降至10以下时,即可视为收敛.右边视窗:

表示侦测点的温度值.当温度值已保持一段直线时,亦可视为收敛.

75归零:Re-initialize刪除之前所计算過的料,亦即归零

76学习项目9学习项目功率模块建模

77IGBT的建模在调色板中点击Cuboid按钮，建立一个矩形体。右键建立的Cuboid，出现菜单栏，

选择热Thermal。

78IGBT的建模在弹出的Thermal对话框中，点击按钮New，新建一个热传导。

79IGBT的建模在弹出的ThermalAttribute对话框中，输入名称，选择Conduction传导，在TotalPower中键入700，然后点击Apply和Attach，这样IGBT的发热量就给定了。

80IBGT温度监控点在调色板中点击监控点图标，建立IGBT的温度监控右键建立的监控点，选择Location在Location中输入监控点的坐标，将监控点放至IGBT的中心

81热管散热器的建模调色板中点击HeatSink按钮，建立散热器图标。右键建立的HeatSink散热器，出现HeatsinkMenu选择Construction

82热管散热器的建模出现HeatSink对话框，在Main中可以设置散热器尺寸和基板厚度，在PinArrangenment中选择InLine管型，在PinsinXo/YoDirection中可以设置X和Y方向热管的数量。建立的热管散热器图，现在还差翅片。

83热管散热器的建模在建立好热管之后插入适当数量0.5mm厚的薄铜片以作为热管散热器的翅片，这样散热器就构建好了。Flotherm中画得热管散热器模型Proe中热管散热器模型

84模块外壳和风道的建模在调色板中点击Enclosure图标，建立一个机壳右键建立的机壳，在Location中可以设置机壳位置，在Construction中可以设置机壳的大小尺寸和厚度

85模块外壳和风道的建模在调色板中点击需要开洞的面，然后在调色板中点Hole按钮，建立一个洞。右键建立的Hole，可以调节位置和大小尺寸。模块和散热器外壳并不是封闭的，因此需要在机壳壁上“扣掉”一部分。

86恒定风速的建立在调色板中点击恒定风源按钮，右键建立的FixedFlow，选择Construction在弹出的对话框中，可以设置风速，风源的大小，风向。

87模块的数值模拟计算建立好模块后按下开始计算，进行数值模拟计算。点击FlowMotion按钮出现三维视图。

88学习项目10学习项目功率模块仿真结果分析

89残差曲线残差曲线在10以下，而监控点温度已经稳定，这时可以认为求解收敛，也可以使用自动收敛设置[Solve/OverallControl]。

90后续仿真结果处理在Flomotion工具栏中找到PlotEditor按钮，弹出对话框，PlotEditor中可以设置你所想看的X、Y、Z三个方向上的温度、速度、压力等数据面。

91温度散热器温度可视化平面图IGBT温度可视化平面图

92速度和压力风速可视化平面图压力可视化平面图

93数值显示使用ValuesDialog可以察看任意一个可视化平面的详细数值，在选择模式下，将鼠标在平面上移动。可以看到随着指针位置的移动会显示不同的湿度值，使用控制器在X、Y或Z方向上移动可视化平添，探测其变化。

94温度值显示

95速度值显示

96压力值显示

97数表窗口除了使用图形显示结果以外，我们还可以使用数表窗口观察结果。如：通过数表窗口，我们可以统计从IGBT传导出来的总热量，或加热模块表面通过对流方向传达到空气的总