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Flotherm组件工程应用：建模全攻略

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热仿真中，如何有效地将实际的机器合理地转化为虚拟的数值模型，是热仿真的关键。软件的操作方法很容易掌握，但各对象背后的物理意义却并非一朝一夕就可以彻底理解。而后者往往极大限制了工程师的建模能力。笔者结合自身工作体会，对Flotherm 中常用的各种对象组件做一个详细的工程实际映射，请大家参考。

 Cuboid ——块。表示实体块。产品中有各种结构件，都可以用实体块来代替。当然，Flotherm中的Cuboid是结构化的六面体。从物理意义上理解，任何流体无法流过的区域或结构，都可以认为是实体块，都可以用实体块进行建立，通过赋值不同的材料属性、功耗等参数来表达其对散热场的影响。因此，从这个角度讲，几乎所有的物理实体都可以在块的空间处进行覆盖。

 Prism ——物理属性同Cuboid，只是形状不一致。其形状是棱柱。

 TET ——物理属性同Cuboid和Prism，只是形状不一致。其形状是四面体。

 Inverted tet ——物理属性同cuboid、Prism和TET，只是形状不一致。其形状是反四面体。

 Resistance——Flotherm中一个常用的简化物理模型的组件，表示某区域对流动造成的阻力。复杂模型中，resistance是一个非常有用的简化工具。比如一个刀片式服务器，在设计前期，先通过数值风洞探究待插单板的阻力特性，然后设置resistance的相关参数（参数的设定在Flotherm官方的宏网站上有详细的指导，输入一定的参数之后，甚至可以直接输出PDML格式的文档，方便导入），通过resistance来替代详细单板，极大地减小网格数量，在前期进行风道优化设计，各结构附件对整机散热的影响时，有效提高仿真效率。从物理属性上讲，Resistance本质上讲就是一个均质多孔介质，Flotherm功能简单，它无法实现Fluent那样各处异性的赋值，不过，均质多孔介质的简化对于电子器件阻力的近似已经完全够用。从数值计算的角度上理解，多孔介质的设定并不引入新的变量，resistance存在的网格中，离散方程将根据用户的设定自动在相应控制容积内添加阻力项，此阻力项在控制方程中以源项的形式存在，调用的速度值为上一次迭代得出的速度值。因此，resistance模型的引入，完全没有增加新的变量，在计算过程中也不会造成计算机负荷的明显加重。推荐在风道优化过程中，甚至系统进出风口采用。

 Assembly：其作用相当于windows操作系统中的文件夹，可以存放各种类型的文件。所有可以单独存在的组件都可以放在assembly中，而那些不能单独存在的组件则不能直接建立。可以用这个例子类比：Windows文件夹中可以新建文件夹，这个文件夹可以是空的，也可以是有内容的，与此类似，assembly也是如此，其下可以建立新的assembly，新的assembly可以是空的，也可以包含组件。再有，Windows文件夹中可以存放各种类型的文件，比如word文档，exe文件，视频文件等等，但它不能直接储存几个字符或者一段声音。如果要存储，这些字符或者声音必须写入到相关的文件里，比如word文档或者一个MP3格式的文件，才能在文件夹中存放。Assembly也是如此，用户不可能直接在assembly下建一个孔，supply，extract，一个器件，一个网络节点或者网络块，因为这些组件不能脱离实体而存在。比如最简单的孔：孔只有在块或者板上出现，才能想象到它的意义，单独说有个孔，显然令人无法理解。

 Source ：源是Flotherm中另一个非常常用简化组件。通常情况下，在分析传热问题时，它只被用作产生热量或者设置定温来使用，而实际上，它的功能远不止此。它还可以作为质量或力源。大家都知道，Flotherm求解的控制方程包含五个，连续方程，三个方向上的动量方程，以及能量方程。设置定温或者定发热功率，就是改变能量方程。数值压力，就是改变连续方程。设置力，就是改变动量方程。其实，力和质量极少使用，而温度和发热量非常常用。但既然flotherm已经通过软件实现了能量方程的有限制的定制化修改，实现另外四个方程实质上已经不需要再添加任何有难度的指令，所以即便不是很常用，也都集成过来放到这里供大家调用了。

Source的另外一个细节注意点是，面source会出现一个箭头。Source作用到动量方程时，表示力的方向。同时，source作用于其箭头指向的那一层网格。这一注意事项，在使用面热源进行芯片发热量建模时，有时很有必要注意。如果作用在芯片表面而箭头方向指错，有可能导致很大的计算误差。

 Heatsink ：散热器。实际上是Flotherm为了用户建模方便设置的模块。物理意义上，相当于一系列cuboid的堆积。所以，其属性和块体一致。但它不能设置孔，是最大缺陷。但是，如果用户确实认为散热器上某处需要打孔，而又想利用Flotherm自带的这一模块化的功能，就可以建好这一模块之后，选中HeatSink，点Geometry，选择Decompose，即可将散热器打散，成为一系列cuboid的堆叠。此时，即可添加hole了。

 PCB ：PCB也是Flotherm 便捷用户操作的一个组件，可以覆盖多种物理特性。

 PCB Component：类似Cuboid，但无法使用孔和循环设备。

 Sloping block ：斜板，用于几何建模，组件子关系同PCB component。

 Enclosure：框。属性同Cuboid。所有情况下，都用Cuboid堆叠替代。

 Cylinder ：圆柱。属性同cuboid。建议少用。Flotherm只有结构化网格，圆形界面不可能完全贴合，固有误差无法消除。

 Hole ：孔。可以设置在Cuboid上，Hole分为开放式孔，还可以设定开孔率，模拟多孔板。设置开孔率去模拟多孔板，可以大幅降低网格数，极常用。

 Fan ：风扇。是Flotherm为简化建模开发的最重要的部件之一。Flotherm中不能探究具体扇叶对流场的影响，但这种简化会显著提高建模和计算效率。Flotherm风扇的作用通过迭代实现。当设定PQ曲线时，软件的计算过程如下：给定风机压力，计算流场及温度场；回归计算风扇通风量，与PQ线进行比对。如有不符，根据上一次计算差调整给定的风机压力，重复上述过程，直至符合。

 Recirculation device ：包含supply和extracts。可以通过别的组件来拼凑supply和extracts的具体形状。通常情况下，可以使用Recirculation device来对离心风机、换热器等Flotherm中并未直接建好而却比较常用的组件模块进行建模。既然能模拟风机，Recirculation device自身也可以设置PQ线。当然，由于recirculation device又并非仅用来建立离心风机，任何循环流动组件都可以用它来建模，所以，这里的PQ线是一个更广义的压力-流量线，反映了这一组件的流动阻力特性。可以说，再配合其热学设置项，recirculation device可以对产品许多组件实现非常大幅度的简化，当然，这一功能在Flotherm 11中通过添加cooler 和rack两个组件更加细化和显性化了。

 Cooler & Rack ：Flotherm 11特地添加了这两个组件。从组成上看，这两个组件与recirculation device完全相同，但其属性设置有所区别。相对于recirculation device而言，Cooler还可以设定某点的温度值，设定其可以冷却掉热量的大小用来判断是否失效。对于Rack，我的理解是另一种简化程度更高的模型。它直接将产品中某对其他组件会产生热级联影响的组件集用rack这一个特征去代替。在了解了cooler 的设置项后，rack的各属性设定一目了然。

 Network assembly：从组件名称就可以看出，它其实是一个集合而非简单的几何体。一个完整的network assembly包含多级，结、壳和板是三个最基本的芯片元素。当精度要求较高，芯片内部组成比较详细时，你可以按照实际情况建立多个结，其热量的传递路径也可能并不是这么单一，除了结到板的传递，还可能有各种形式的边缘的管脚进行热量传递。内部结到板的传热，也有可能有引线参与。通过右键在network assembly上弹出的菜单中，可以设置node到node间的热阻属性，以便描述芯片内部的热物理属性。从这个角度，你不难理解，实际上发热块模型、双热阻模型、星形热阻模型等比较简单的热阻模型，都不过时network assembly的一种简化形态。

 TEC ：热电制冷组件，室外柜中常用。室内电子产品目前用的还不多。随着其尺寸愈来愈紧凑，室内的应用，应该也会逐渐出现。

 PowerMap：需要从外部导入thermal map文件。属于精细化建模，而且模型树中的模型需要与powermap导入的文件对应起来，才不会出错。

对于工程师而言，必须牢记的一点是，热仿真仅仅是一个设计工具，可用于对于产品的温度表现做一个摸底和趋势性的判断。但如果作为专业的热设计工作者，仍然迷信于热仿真的绝对结果，甚至将热仿真等同于热设计，是极端狭隘的。而对于完全不懂热学原理的人而言，即使其对软件的操作已经烂熟于胸，但由于完全没有理论支撑，其建立的热仿真模型仍有可能漏洞百出，导致热仿真结果与散热实际表现天差地别，此时，仍然过度依赖热仿真极有可能适得其反，走向更加错误的一端。因此，热仿真作为一种先进工具，合理运用会带来巨大价值，不合理的使用，除了会耗费巨大精力和时间资源，还有可能将设计引向错误的方向，造成巨大的损失。

海基科技将举办FloTHERM电子散热仿真分析高级课程

内容目录：

第1章 FloTHERM介绍及技术优势分析

第2章热仿真基本思想及理论

第3章 FloTHERM仿真的基本操作和流程

第4章电子设备的常见元件的建模

第5章求解监控与后处理

第6章网格划分技术

第7章优化模块使用

第8章 FloTHERM文件管理

第9章瞬态分析方法

第10章收敛问题及其解决