第1章flotherm

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1、1第1章FloTHERM概述1.1FloTHERM软件介绍FloTHERM 是一款专门用于电子散热领域的三维热仿真和优化设计软件，可应用于封装元件、PCB板、系统设备和数据中心等不同层级。在任何实体样机建立之前，用户可通过FloTHERM 软件创建产品的虚拟模型，预测产品内部的气流流动、温度分布和热量传递过程。根据 FloTHERM 提供的仿真结果可以识别产品存在的热风险，并且进一步提高产品的可靠性。1.2FloTHERM软件背景原理电子设备内外部的流体流动和热量传递受物理守恒定律的控制，基本的守恒定律包括：质量、动量和能量守

2、恒定律。对于三维、瞬态、可压缩牛顿流体的流动与传热现象，其守恒控制方程如下：质量守恒方程：¶r+div(ru)=0（11）¶tX 方向动量守恒方程：¶(ru)¶P +div(ruu)=div(mgradu)-+Su（12）¶t¶xY 方向动量守恒方程：¶(rv)¶P +div(rvu)=div(mgradv)-+Sv （13）¶t¶yZ方向动量守恒方程：¶(rw)¶P +div(rwu)=div(mgradw)-+Sw（14）¶t¶zFloTHERM软件基础与应用实例能量守恒方程：¶(rT)æk ö+div(ruT)=divç

3、gradT÷+ST （15）¶tècø关于守恒控制方程的详细内容可以参考参考文献[1]。上述守恒方程均为偏微分方程，在数学上无法获得这些方程的解析解，特别是由于动量守恒方程的高度非线性，使得通过数学的手段无法直接进行求解。自 20 世纪 60 年代左右起计算流体动力学（CFD）技术逐渐形成了一门独立的学科。其主要思想是把原来在时间域及空间域上连续的物理量场，如温度场和速度场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来替代，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值[2

4、]。FloTHERM 软件正是基于计算流体动力学技术解决电子设备散热的问题，软件工作流程如图 11所示。建立仿真项目模型设置初始条件和边界条件设置求解控制参数仿真项目网格划分建立离散守恒控制方程离散初始条件和边界条件求解离散方程否求解是否收敛是显示和输出仿真结果图11 FloTHERM软件工作流程1.3FloTHERM功能特点（1）MCAD 和 EDA软件模块接口。FloTHERM 软件具有MCAD 和EDA软件模块接口，用于提高仿真项目的建模效率。其中 FloMCAD 软件模块接口支持 Pro/ENGINEER、CATIA和

5、 Solidworks 等主流 MCAD 软件模2 FloTHERM概述第1 章型数据，同时也支持三维模型数据的导出。FloEDA 软件模块接口支持Allegro、APD、Boardstation、CR5000 和 Expedition等主流 EDA软件数据，同时也支持EDA软件常用的 IDF 格式数据。（2）智能元件和模型库数据。FloTHERM 软件提供了电子设备中常见器件的智能元件模型。例如封装元件、热管、风扇、散热器、PCB板、热电制冷器、打孔板、机箱、机柜和空调。此外，软件模型库中包含了数千种电子器件的特性数据和几何

6、模型。例如风扇、封装元件、散热器、导热界面材料、机柜和空调等。（3）几何建模易用性。FloTHERM 软件支持参数化建模的同时，也支持通过鼠标拖放来改变模型的几何位置和尺寸。其所见即所得的建模方式具有操作简单、直观和高效等特点。（4）网格系统。FloTHERM 软件采用笛卡尔网格系统。笛卡尔网格系统在求解计算时间、求解数据存储空间以及求解的健壮性方面要优于其他网格系统。此外，FloTHERM 软件中网格与模型紧密相关，对于模型设置的网格加密作为模型的属性存在和保存。模型网格属性可以与模型一起保存至模型库中，之后调用模型时可不必

7、再次进行网格划分。（5）求解器。FloTHERM 软件具有多重网格和分离耦合残差两个求解器。其中多重网格求解器在计算时可以将各种频率分量的误差比较均匀衰减掉，因此加快了迭代收敛的速度，对于线性温度方程的求解尤为明显。（6）后处理。FloTHERM 可视化后处理模块 Visual Editor专为提高电子设备热设计效率而研发，完全逼真的模型、三维流体流动动画和瞬态温度动态显示可协助工程师快速高效地了解产品热特性以及可能存在的热风险，并且将产品优化设计结果以可视化形式快速呈现出来。（7）优化设计。FloTHERM的Command 

8、Center优化设计模块可以根据目标函数进行仿真项目自动优化设计，其包括了DOE（实验设计）、SO（顺序优化）和RSO（响应面优化）等先进的优化方法，使软件不仅作为项目方案热风险验证和评估的工具，更能作为项目优化设计的工具。1.4FloTHERM工程应用背景应用FloTHER