最全的热设计基础知识及flotherm热仿真(精品课件)
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FloTHERM培训资料
FloTHERM —基础培训
中科信软高级技术培训中心－
FLOTHERM 软件介绍
全球第一个专门针对电子散热领域的CFD软件
通过求解电子设备内外的传导\对流\辐射，从而解决热设计 问题
据第三方统计，在电子散热仿真领域，FloTHERM 全球市 场占有率达到70% 据我们的调查，98%的客户乐意向同行推荐 FloTHERM
FloEDA EDA软件高级接口
1. 支持多种EDA格式：方便电子工 程师与热工程师协同工作 2. 包含走线、器件参数、过孔等详 细信息的模型读入：保证模型准 确性 3. 准确的模型简化方法：保证结果 准确度的同时减少计算时间
FloMCAD.Bridge CAD软件接口模块
1. 支持多种模型格式：适用范围广 泛 2. 方便的操作：缩短建模时间
流动状态、 流体物性 固体表面的属性
7
热仿真基本理论---传热的三种基本方式
热辐射： Stefan-Bolzmann 定律： Qε = ε σ A T4
ε 表面发射率, σ = 5.67 x 10-8 W/m2.K4
(0 ≤ ε ≤ 1) (Stefan-Boltzmann常数)
W
Qε
表面积 A
热仿真基本理论---传热的三种基本方式
完全CAD化的建模功能： 提供对齐、自动捕捉等建模 手段。
移动物体 在一个方向上改变大小 在两个方向上改变大小 18
使用Flotherm建立模型
方便快捷的建模“搭 建方法”:
PCB’s 风扇 通风孔 IC’s 机箱
19
从FloMCAD导入模型
SolidWork ProE - prt asm CATIA
FloTHERM 核心热分析模块
中科信软高级技术培训中心－
FLOTHERM 软件介绍
全球第一个专门针对电子散热领域的CFD软件
通过求解电子设备内外的传导\对流\辐射，从而解决热设计 问题
据第三方统计，在电子散热仿真领域，FloTHERM 全球市 场占有率达到70% 据我们的调查，98%的客户乐意向同行推荐 FloTHERM
FloEDA EDA软件高级接口
1. 支持多种EDA格式：方便电子工 程师与热工程师协同工作 2. 包含走线、器件参数、过孔等详 细信息的模型读入：保证模型准 确性 3. 准确的模型简化方法：保证结果 准确度的同时减少计算时间
FloMCAD.Bridge CAD软件接口模块
1. 支持多种模型格式：适用范围广 泛 2. 方便的操作：缩短建模时间
流动状态、 流体物性 固体表面的属性
7
热仿真基本理论---传热的三种基本方式
热辐射： Stefan-Bolzmann 定律： Qε = ε σ A T4
ε 表面发射率, σ = 5.67 x 10-8 W/m2.K4
(0 ≤ ε ≤ 1) (Stefan-Boltzmann常数)
W
Qε
表面积 A
热仿真基本理论---传热的三种基本方式
完全CAD化的建模功能： 提供对齐、自动捕捉等建模 手段。
移动物体 在一个方向上改变大小 在两个方向上改变大小 18
使用Flotherm建立模型
方便快捷的建模“搭 建方法”:
PCB’s 风扇 通风孔 IC’s 机箱
19
从FloMCAD导入模型
SolidWork ProE - prt asm CATIA
FloTHERM 核心热分析模块
Flotherm学习教程
24
一些应用观念
No
1
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
3 Fan 可以 ‘’吃掉‘’平面的Cuboid
4
Resistance 可以‘’吃掉‘’平面的 Cuboid
5
6
Sieyuan Electric
实用学习总结课件PPT
Sieyuan Electric
15
Drawing Board
Sieyuan Electric
实用学习总结课件PPT
物件分层
16
Drawing Board
调整显示工具
翻转
显示网格的资料 对齐工具
视角视窗切换 工具
自动对齐工具
测量尺寸工具 指标 与 手 切换工具 背景顏色 切换工具
Sieyuan Electric
实用学习总结课件PPT
17
学习项目 2
学习项目 熟练快速键
Sieyuan Electric
实用学习总结课件PPT
18
快捷键
No 快速键 功能
1 F3 目录管理:独立出来 2 F4 目录管理:完全关闭 3 F5 目录管理:回到上一层 4 F6 目录管理: 完全展开 5 F9 切换 指标/游击手 6 F7 叫出/关闭 绘图列 7 F12 隐藏物体 8 R 回覆至原来的画面
8
Flotherm 的建模
4) 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。
flotherm软件基础与应用实例
flotherm软件基础与应用实例Flotherm软件基础与应用实例Flotherm软件是一款将传统热力学计算与计算机辅助优化设计技术相结合的优秀工程分析软件，可用于三维热仿真及散热器、内部通道、外部流场等多种问题的分析计算。
本文将对Flotherm软件的基础知识和一些应用实例进行介绍。
一、Flotherm软件的基础知识1. Flotherm软件的工作原理Flotherm软件是基于有限元分析理论的热力学模拟软件，它通过求解三维热传导方程和Navier-Stokes方程组来模拟物体内部的温度场、流速场和压力场等物理量，以实现热力学分析和设计优化。
2. Flotherm软件的主要功能Flotherm软件主要具有以下功能：（1）三维热场模拟：可以对热源、散热器、机箱等物体进行三维热场分析，从而得到温度分布、热通量等参数。
（2）散热问题分析：可以对各种散热器进行性能分析和设计优化，使其具有更好的散热性能。
（3）流场模拟：可以对内部通道、外部流场等进行三维流动模拟，得到流速场、压力场等参数。
（4）热力学仿真：可以预测电子元器件、汽车发动机等工况下的温度分布和热负载，进行热力学分析和设计优化。
3. Flotherm软件的使用方法Flotherm软件的使用一般分为以下步骤：（1）建立3D模型：使用CAD软件或Flotherm自带的CAD建模工具建立待分析的几何模型。
（2）设定边界条件：设定物体表面的边界条件、热源的功率及位置、内部通道的截面积及位置等。
（3）求解：使用Flotherm软件进行求解，在求解过程中可以观察分析结果。
（4）优化设计：根据分析结果进行设计优化，反复进行求解和优化设计。
二、Flotherm软件的应用实例1. 散热器设计优化散热器是电子元器件进行工作时必需的部件，保证其具有良好的散热性能对于元器件的寿命和稳定性有着至关重要的作用。
Flotherm软件可以用来对散热器的散热性能进行分析和优化设计，以提高散热器的热传导效率。
FloTHERM--热设计软件你知多少
2、有材料属性的部件，可以添加热源属性，注意输入的是热负荷。比如一个部 件功耗1KW，有效输出900W，那么转化为热量输出的就是1000－900＝100W，在 theFloTHERM XT 最新研发进展.pdf
2. 海基科技FloEFD专题网络培训教程.pdf
因此，需要学习：传热学，了解三种传热方式； 流体力学，充分理解对流散热； 数值传热学：用来了解什么是离散方程，要求解那些方程； 最后是相关的行业经验的。在PC行业的大牛，到了通信行业，也需要一个积 累沉淀的过程。
2.FloTHERM软件对电脑的软硬件有哪些要求
官方给的最低硬件配置是：CPU：奔腾III 1GHz，内存：1GB，显卡：支持 OpenGL，64MB显存，1024X768分辨率 软件是32位或64位的win XP，win vista，win 7，win server 2003 & 2008 这个配置只是可以运行软件而已。针对你的应用，需要什么配置还要看你的 模型大小，能接受的计算时间。不过现在计算机随便都是4G内存，2GHz以上的 CPU主频，跑个300万网格是没有问题的。
3.FloTHERM软件在模拟电子产品散热时，其是如何工作的？
和普通的cfd软件相比，flotherm集成了建模，网格划分，计算仿真，后 处理与一体。也可以在flotherm中完成所有的热仿真需要的工作。
4.FloTHERM软件进行散热仿真，主要包括哪几步？
建模，网格划分，计算仿真，后处理
5.FloTHERM软件的模型数据库如何？
8.FloTHERM航空防务电子散热分析解决方案20120810.pdf
9.Flotherm电子产品热分析高级培训使用技巧
一.问答： 1.FloTHERM软件的技术基础是什么
Flotherm10.1水冷热设计
2.FLOTHERM热设计仿真流程
几何模型建立(CAD 模型导入与简化、 网格划分
求解 后处理
求解问题设定
2.1模型导入------结构件拆分
1.全部导入FLOMCAD后简化
2.大型文件拆解后FLOMCAD后简化
FLOMCAD简化一个后阵列
2.2 物理参数与工况设定
IGBT损耗500W
2.元器件热损耗与封装等信 息
59mm 62mm 26mm
70mm
3.元器件layout（元器件在 整个结构中的布局、代号）
海拔：海平面 环境温度：30℃ 进水口/出水口尺寸： D14.5mm 进水口温度：45℃ 进水口压强：0.5MPa
4.工况（海拔、环境温度、 流速、进口水温等）
FLOTHERM10.1水冷热设计 培训
2015-12
热分析材料准备 热分析基本流程
1. 热设计仿真材料准备
1.结构三维模型（STP/IGES 等格式） 2.元器件热损耗与封装
3.元器件layout 4.工况（海拔、环境温度、 进水口流量、温度等）
尺寸：258*288*100mm 材料：ADC12 导热系数K：96.2w/(m*k) 密度：2.7g/cm³ 1.结构三维模型（STP/IGES 等格式）
物理参数设定： 损耗、封装
工况设定： 环境温度，海拔，风扇特性
2.3 网格划分
系统网格划分
风扇网格划分
2.4 求解问题设定
目标温度侦测点
收敛标准
自检后运行
2.5 后处理
温度场 平面 离子源 单点注释 动画创建
数据输出
THANKS
Flotherm10.1水冷热设计
物理参数设定： 损耗、封装
工况设定： 环境温度，海拔，风扇特性
Байду номын сангаас
2.3 网格划分
系统网格划分
风扇网格划分
2.4 求解问题设定
目标温度侦测点
收敛标准
自检后运行
2.5 后处理
温度场 平面 离子源 单点注释 动画创建
数据输出
THANKS
FLOTHERM10.1水冷热设计 培训
2015-12
热分析材料准备 热分析基本流程
1. 热设计仿真材料准备
1.结构三维模型（STP/IGES 等格式） 2.元器件热损耗与封装
3.元器件layout 4.工况（海拔、环境温度、 进水口流量、温度等）
尺寸：258*288*100mm 材料：ADC12 导热系数K：96.2w/(m*k) 密度：2.7g/cm³ 1.结构三维模型（STP/IGES 等格式）
IGBT损耗500W
2.元器件热损耗与封装等信 息
59mm 62mm 26mm
70mm
3.元器件layout（元器件在 整个结构中的布局、代号）
海拔：海平面 环境温度：30℃ 进水口/出水口尺寸： D14.5mm 进水口温度：45℃ 进水口压强：0.5MPa
4.工况（海拔、环境温度、 流速、进口水温等）
2.FLOTHERM热设计仿真流程
几何模型建立(CAD 模型导入与简化、 布尔运算)
物理参数设置 与工况设定
网格划分
求解 后处理
求解问题设定
2.1模型导入------结构件拆分
1.全部导入FLOMCAD后简化
2.大型文件拆解后FLOMCAD后简化
FLOMCAD简化一个后阵列
2.2 物理参数与工况设定
工况设定： 环境温度，海拔，风扇特性
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2.3 网格划分
系统网格划分
风扇网格划分
2.4 求解问题设定
目标温度侦测点
收敛标准
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2.5 后处理
温度场 平面 离子源 单点注释 动画创建
数据输出
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FLOTHERM10.1水冷热设计 培训
2015-12
热分析材料准备 热分析基本流程
1. 热设计仿真材料准备
1.结构三维模型（STP/IGES 等格式） 2.元器件热损耗与封装
3.元器件layout 4.工况（海拔、环境温度、 进水口流量、温度等）
尺寸：258*288*100mm 材料：ADC12 导热系数K：96.2w/(m*k) 密度：2.7g/cm³ 1.结构三维模型（STP/IGES 等格式）
IGBT损耗500W
2.元器件热损耗与封装等信 息
59mm 62mm 26mm
70mm
3.元器件layout（元器件在 整个结构中的布局、代号）
海拔：海平面 环境温度：30℃ 进水口/出水口尺寸： D14.5mm 进水口温度：45℃ 进水口压强：0.5MPa
4.工况（海拔、环境温度、 流速、进口水温等）
2.FLOTHERM热设计仿真流程
几何模型建立(CAD 模型导入与简化、 布尔运算)
物理参数设置 与工况设定
网格划分
求解 后处理
求解问题设定
2.1模型导入------结构件拆分
1.全部导入FLOMCAD后简化
2.大型文件拆解后FLOMCAD后简化
FLOMCAD简化一个后阵列
2.2 物理参数与工况设定
Flotherm学习教程 (课堂PPT)
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.
Sieyuan Electric
3
Flotherm 的应用
元器件级 系统级
Sieyuan Electric
版级和模块级 环境级
4
Flotherm 的应用
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
Sieyuan Electric
11
学习项目 1
学习项目 熟悉各种工作视窗
Sieyuan Electric
12
熟悉各种工作视窗
No 工作视窗 1 Project Manager 2 Drawing Board 3 FloMotion 4 Launch Tables 5 Profiles Windows 6 FLO/MCAD
Sieyuan Electric
➢ 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.
Drawing Board
调整显示工具
翻转
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.
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3
Flotherm 的应用
元器件级 系统级
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版级和模块级 环境级
4
Flotherm 的应用
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
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学习项目 1
学习项目 熟悉各种工作视窗
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熟悉各种工作视窗
No 工作视窗 1 Project Manager 2 Drawing Board 3 FloMotion 4 Launch Tables 5 Profiles Windows 6 FLO/MCAD
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➢ 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.
Drawing Board
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Flotherm学习教程 ppt课件
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
Sieyuan Electric
Copyright © Sieyuan Electric Co., Ltd. All Rights Reserved.
功能
移动物件
阵列复制
对齐物件
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. 将模型 分解至 基本图型. 常用于 Heatsink, Enclouser
Sieyuan Electric
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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
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8
Flotherm学习教程
4) 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
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23
Flotherm学习教程
No 指令 1 Move 2 Pattern 3 Align 4 Collapse(压缩)
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
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功能
移动物件
阵列复制
对齐物件
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. 将模型 分解至 基本图型. 常用于 Heatsink, Enclouser
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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
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Flotherm学习教程
4) 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
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Flotherm学习教程
No 指令 1 Move 2 Pattern 3 Align 4 Collapse(压缩)
通信产品 Flotherm 散热仿真详解资料
Zoom-In系统的详细单板模型 原系统模型中Slot3槽位布局单板详细芯片模型
18
仿真结果对比
单板模型在原系统的仿真结果
单板模型在Zoom-In系统的仿真结果
19
与实验结果对比
由于产品属于公司保密性质，没有把实际产品的测试 数据写出来做一个对比分析。
20
结论
在电子设备热设计中，传统的经验评估以及无法及时满足产品开发的速 度和市场客户的需求。而借助于CFD软件来仿真设计产品的散热，就会避 免因为传统方法中因经验不足，数据不充分所导致的误差以及繁琐的解 析计算过程。这种基于流体传热的基本动量守恒定理和质量守恒定理， 利用成熟的数值计算方法，只要网格的大小、数量和布局合理，就会与 实际得到非常接近的计算结果。
计算FloTHERM软件中的高级阻力模型的A、B系数
13
FloTHERM高级阻力模型的应用
槽位单板高级阻力模型参数设置
在这里我们构建高级阻力模型的方式是用一些基本理论公式和表格来计 算得出。而在之前FloTHERM软件在其网站上也提供了计算高级流阻系数 的宏，只要把风阻曲线的数据输入，也可以直接得到阻力系数，并产生 一个PDML模型下载使用。
南京电子技术研究所
23
机箱的结构及组成
机箱整体采用了框架式结构，主要由箱体、导板、风机、空气过滤器、前后门板等 构成。箱体框架与四周的蒙皮一体构成箱体基本外形，箱体底部设计有进风口和出 风口，另有截止波导窗安装位置；导板被固定在箱体框架上；散热过滤器分别固定 在箱体上进风口和出风口位置；风机固定于插板上，插在箱体框架的一侧，被锁紧 机构固定于箱体上；前、后门板通过铰链固定于箱体上，另一侧用收缩搭扣与锁钩 配合，将门板压紧在柜体上而不需其他紧固方式；门板及箱体上特殊配合结构使系 统防雨水。组件模块沿导板槽插入箱内，通过锁紧机构进行固定。
Flotherm学习教程演示文稿
物件分层
18
第18页，共108页。
Drawing Board
调整显示工具
翻转 显示网格的资料
对齐工具 视角视窗切换工 具
自动对齐工具
测量尺寸工具 指标 与 手 切换工具 背景顏色 切换工具
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5
第5页，共108页。
Flotherm 的应用
元器件级
版级和模块级
系统级
环境级
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5 Profiles Windows 执行状态曲线
6 FLOMCAD
可将 IGS 文件 转入至 Flotherm
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第16页，共108页。
Project Manager
复制, 移动, 阵列
Flotherm 的建模
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SMARTPART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：
Rcal公司的雷达防御系统热分析
Ascom公司的散热模组分析
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FloTHERM仿真教程
Command Center 优化设计模块
1. 先进的优化算法：保证优化结果 的可靠性 2. 目标驱动的自动优化设计：减少 工程师的工作量
FloTHERM 核心热分析模块
1. 简单的建模方式：节省建模时间 2. 笛卡尔网格：加快计算速度 3. 集成的经验公式：加速计算并保 证准确度
FloTHERM 软件
FloMCAD.Bridge CAD软件接口模块
1. 支持多种模型格式：适用范围广 泛 2. 方便的操作：缩短建模时间
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FloTHERM使用流程
Pre-Processing
Solver
Boundary conditions Initial conditions Sources Material properties Physical models Modeling
11热仿真基本理论控制方程质量守恒方程12utvtwthotcomponentuuuvuw速度大则压力小速度小则压力大flotherm软件介绍全球第一个专门针对电子散热领域的cfd软件通过求解电子设备内外的传导对流辐射从而解决热设计问题据第三方统计在电子散热仿真领域flotherm全球市场占有率达到70据我们的调查98的客户乐意向同行推荐flotherm13flotherm软件主要模块14flotherm软件flotherm核心热分析模块集成的经验公式
了解散热性能的数值方法:
CFD (Computational Fluid Dynamics)
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仿真的基本思想
CFD的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续 的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值 的集合来代替，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。
通信产品 Flotherm 散热仿真详解资料
应用案例3 —机柜散热设计
6
FloTHERM在通讯局端插箱热设计中的应用
为了避免整个热设计工程中的反复，降低设计成本，缩短设 计周期，电子散热设计通常与电路设计和结构设计同步进行。
一部分产品的散热采取了强迫风冷形式的散热
确定整个设备、单板槽位以及模块电源的阻力特征曲线和整机系统风道 特性，以及快速评估单板以及整机系统是否满足市场客户提出的散热需 求就成为电子热设计的一大难题。
11Leabharlann FloTHERM高级阻力模型的应用
FloTHERM中高级阻力模型参数
FloTHERM软件中的流体高级阻力模型需要设置的参数如图所示，在 使用这个模型要解决的关键问题是如何把实际测试的阻力曲线转换成 软件所需要的参数。一般情况下我们可以用一个二次二项函数来描叙 实际测试的阻力曲线。此时，我们取 Index=0、入口处开孔率Free Area Ratio=1、 特征长度 Length Scale=1；现在需要计算的只有A、B这 两个系数。
系统插箱仿真模型Zoom-In Region之前的模型
15
Zoom-In模型生成
本系统插箱是在第三槽位做一个体积Region，当Region建立好后，就可以 使用FloTHERM软件中的Zoom In 功能来分析生成一个带有局部环境参数的 Zoom-In模型。为了得到高质量的Zoom-In环境模型，在这里需要注意的是： 1. 系统Modeling必需带有以下参数：温度、压力、速度以及Heat Fluxes； 2. Zoom-In的Region边界不要接近系统网格和局部网格边缘； 3. 二维阻力模型和任何打孔模型的网格约束都不能与Zoom-In边缘接近； 4. 网格的划分应遵守CFD软件的一般规则：防止奇异网格的产生。 注意网格的数量和计算的精度并不是成线性关系，在保证必要精度的前提 下，网格数量尽量少，以提高计算速度。
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FloTHERM在通讯局端插箱热设计中的应用
为了避免整个热设计工程中的反复，降低设计成本，缩短设 计周期，电子散热设计通常与电路设计和结构设计同步进行。
一部分产品的散热采取了强迫风冷形式的散热
确定整个设备、单板槽位以及模块电源的阻力特征曲线和整机系统风道 特性，以及快速评估单板以及整机系统是否满足市场客户提出的散热需 求就成为电子热设计的一大难题。
11Leabharlann FloTHERM高级阻力模型的应用
FloTHERM中高级阻力模型参数
FloTHERM软件中的流体高级阻力模型需要设置的参数如图所示，在 使用这个模型要解决的关键问题是如何把实际测试的阻力曲线转换成 软件所需要的参数。一般情况下我们可以用一个二次二项函数来描叙 实际测试的阻力曲线。此时，我们取 Index=0、入口处开孔率Free Area Ratio=1、 特征长度 Length Scale=1；现在需要计算的只有A、B这 两个系数。
系统插箱仿真模型Zoom-In Region之前的模型
15
Zoom-In模型生成
本系统插箱是在第三槽位做一个体积Region，当Region建立好后，就可以 使用FloTHERM软件中的Zoom In 功能来分析生成一个带有局部环境参数的 Zoom-In模型。为了得到高质量的Zoom-In环境模型，在这里需要注意的是： 1. 系统Modeling必需带有以下参数：温度、压力、速度以及Heat Fluxes； 2. Zoom-In的Region边界不要接近系统网格和局部网格边缘； 3. 二维阻力模型和任何打孔模型的网格约束都不能与Zoom-In边缘接近； 4. 网格的划分应遵守CFD软件的一般规则：防止奇异网格的产生。 注意网格的数量和计算的精度并不是成线性关系，在保证必要精度的前提 下，网格数量尽量少，以提高计算速度。
用flotherm对简单的封闭式设备进行热仿真]
![用flotherm对简单的封闭式设备进行热仿真]](https://img.taocdn.com/s3/m/011ea9a510661ed9ad51f3c1.png)
用flotherm4.2对简单的封闭式设备进行热仿真一设备介绍1.1设备概述该设备为一台工业级的电子设备，用途不祥，型号不祥。
1.2 设备特征图1.1 A型机外型图1)设备的大小为423mm（W）×88mm（h）×370mm（L）；2)设备为密封式设备，密封程度防雨淋；3)机壳用铝合金（2A12）焊接而成，壳体和壳盖选择在整机的上部分分型，搭接面填充的非导热材料；4)机壳的两个侧板与盖板均铣有散热槽。
二设备组成与工作环境2.1 设备内部结构图图2.1 A型机内部构造图2.2 内部特征1）内部组成设备由三个模块组成，即主板、控制板、电源模块。
控制板通过板间连接器扣在主板的上方。
2）模块功耗设备的整机设计功耗为50W，实测功耗为35W，其中各个器件的设计功耗如下表所列：序号名称功耗所在位置数据来源1主板22实测值2控制板4实测值3电源10计算值4芯片11011主板中心，Top设计值5芯片11453主板右下角，Top设计值6芯片82453控制板中心，Top设计值7电源模块8电源中心，Bottom经验值表2.1 功耗列表2.3散热方法图2.2 A 型机内部散热图1) 用110导热板将芯片110的热量传导至机壳底板上； 2) 用8245导热板将芯片8245的热量传导至机壳侧壁上； 3) 在1145上放置一个铝材散热片；4) 电源模块直接贴在机壳底板上，通过机壳底板散热； 5) 导热板的材料采用合金铝（3A12），采用折弯成型方法；6) 铝表面之间采用厚度为1mm 的导热膜导热，接触压力由连接螺钉的紧固力产生； 7) 铝表面和芯片表面采用厚度为1mm 的导热膜导热，导热膜的变形量为0.7，从而产生接触压力；8) 除与接触接触位置的表面粗糙度为3.2外，其余均为12.5。
2.4 工作环境1) 设备的工作温度上限为55℃；2) 设备所处环境的空气会有不同程度的紊流。
三 仿真过程中的参数设置3.1 环境参数1) 求解范围：600mm （W ）×200mm （h ）×50mm （L ）机箱尺寸，设备位于求解区中心；2)环境温度：55℃；3) 空气导热率：10 W/m^2K 【停滞空气的导热率为5 W/m^2K 】 3.2 建立模型图3.1 设备模型图1)假设设备外壳为壁厚为4mm的空心壳体，忽略盖板与侧壁上的散热槽，忽略其他结构要素；2)忽略设备内部线缆造成的阻尼；线缆阻尼3)忽略设备内部线缆在工作工程中的功耗；线缆功耗4)设备内部的大器件，如滤波器，在建模时设定为无热量、不导热的固体；5)设备内部的小器件，如磁环、走线板等，在建模时忽略。
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✓ 大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。自然对流冷却表面的 热流密度为0.039W/cm2 。有些高温元器件的热流密度可高达 0.078W/cm2 。
✓ 强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。 ✓ 热管的传热性能比相同的金属导热要高几十倍，且两端的温差很小。
1）为最常见的界面导热材料，常采用印刷或点涂方式进行施加。 2)用于散热器和器件之间，散热器采用机械固持，最主要的优点为维修方便, 价格便宜。 3）因可以很好的润湿散热器和器件表面，减小接触热阻，所以其导热热阻很 小， 适合大功率器件的散热。 4）使用时需要印刷或点涂，操作费时，工艺控制要求较高，难度大。
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热设计的基础概念
问题：热的单位是什么？ 是℃？
热是能量的形态之一。与动能、电能及位能等一样，也存在 热能。热能的单位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用 下使物体移动1m，使1g的水温度升高0.24℃。 1J=1N·m
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热设计的基础概念
设备会持续发热。像这样，热量连续不断流动时，用“每秒 的热能量”来表示会更容易理解。单位为“J/s”。J/s也可用“W” （瓦特）表示。
L—— 特征尺寸，m； u—— 流体速度，m/s； cp—— 比热容，kJ/(kg·K)； μ—— 动力粘度，Pa·s； λ—— 导热系数，W/(m·K)； αV—— 体膨胀系数，℃－1； g —— 重力加速度，m/s2； ΔT——流体与壁面的温差。
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热辐射
任意物体的辐射能力可用下式计算
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导热介质-相变导热膜
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导热介质-相变导热膜
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导热介质-导热垫
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导热介质-导热双面胶带
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导热介质-导热双面胶带
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对流换热
流动产生的原因自强然迫对对流流
牛顿冷却公式：
Q AT
流动性质
层流 湍流
其中α为对流换热系数，单位W/(m2·K)，表征了换热表面的平均对流换 热能力。A为参与热交换的有效面积，△T为表面温度与流体温度之差。
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导热介质-导热脂
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导热介质-导热脂
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导热介质-导热脂
我公司现有导热硅脂
供应商
型号
我司编码
北京美宝
T-50
1040100171
其他一些常用导热硅脂
导热系数(W/mk) 0.785
工作温度（摄氏度） -60~200
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导热介质-导热胶
特点：
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导热介质-导热胶
导热介质-导热垫
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导热介质-导热垫
我公司现有的导热硅胶垫：
供应商 奥川科技 奥川科技 奥川科技 润和科技
型号 SPE2-40-BK SPE2-25-BK SPE2-10-BK K1000
我司编码 1040100029 1040100030 1040100031 1081201032
导热系数 尺寸 (W/mk)
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电子设备冷却方法的选择
电子设备中常用的冷却方法能够达到的对流换热系数及表面热流密度值 如下表所示：
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电子设备冷却方法的选择
✓ 设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却表面或散热器之间有一 条低热阻的传热路径。
✓ 利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。热辐射换热则 需要比较高的温差，且传热路径不容易控制。对流换热需要较大的面 积，在安装密度较高的设备内部难以满足要求。
热传导
接触热阻
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导热介质
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导热介质-导热脂
常由复合型导热固体填料、高温合成油（基础油如 硅油），并加有稳 定剂和改性添加剂调配而成的均 匀膏状物质，常用的导热脂为白色，也 有灰色或金 色的导热脂等颜色。导热颗粒通常采用氧化锌、氧 化铝、氮化硼、 氧化银、银粉、铜粉等。
特点：
1.2
4m厚;30.5mm×30.5mm;黑色
1.2
2.5mm厚;23.5mm×17.5mm；黑
色
1.2
1mm厚;13mm×18mm;黑色
1
1mm厚；200mm*400mm，硬度
邵氏15-50，灰黑色
对导热垫的性能要求和主要检测项目：
1）导热系数和热阻：热性能满足要求 2）硬度：优先选用硬度较低的材料 3）绝缘性能：要求耐压满足产品需求（一般3KV） 4）阻燃：要求材料阻燃级别达到V1及以上
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导热介质-导热垫
主要应用及特点： • 主要用于当半导体器件与散热表面之间有较大间隙需要填 充 • 用于几个芯片要同时要共用散热器或散热底盘时，但间隙不 一样的场合 • 用于加工公差加大的场合，表面粗糙度较大的场合。 • 由于导热垫的弹性，使导热垫能减振，防止冲击，且 便于安装和拆卸。
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热传导
单层平壁导热
kA
(t w1
- t w2 )
( w)
单层圆筒壁导热 多层平壁导热
l2nkr2l(tw1 tw2 )
Hale Waihona Puke r1tw1 twi1n i
i1 ki Ai
( w)
多层圆筒壁导热
2l
(t - t ) n 1 ln ri1 w1 wi1
i1 ki ri
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( w)
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热传导
热阻Rja：芯片的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热 阻，乘以其发热量即获得器件温升。
热阻Rjc：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。 热阻Rjb：芯片的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结
与单板间的温差。
图2：电子产品故障主要原因
Figure 2: Major Causes of Electronics Failures
故
障
20%振动
55%温度
率
（
10
6%粉尘
万
小
时
） 19%潮湿
(Source : GEC Research)
资料来源：GEC研究院
(Source : US Air Force Avionics Integrity Program)
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热辐射
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电子设备冷却方法的选择
温升为 40℃时， 各种冷 却方法 的热流 密度和 体积功 率密度 值
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电子设备冷却方法的选择
冷却方法可根据热流密度和温升要求，按照下图关系进行选择。这种方 法适用于温升要求不同的各类设备
由此图可知，当元件表面与 环境之间的允许温差ΔT为60 ℃时，空气的自然对流（包 括辐射）仅对热流密度低于 0.05W/cm2 时有效 。强迫风 冷可使表面对流换热系数大 约提高一个数量级，如在允 许温差为100 ℃时，风冷最 大可能提供1W/cm2 的传热 能力。
热流量是指单位时间内通过某一给定面积的热量， 单位为W。
导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两 侧表面的温差为1度（K,°C）,在1秒内，通过1平 方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/m·K,此 处的K可用°C代替）。它是表征材料导热能力优劣 的物性参数。在30 °C时，空气的导热系数为 0.027 W/m·°C ，因此可以利用空气夹层来绝热， 通常把导热系数小于0.23 W/m·°C 的材料称为 绝热材料。
Nu
L
对流换热 导热
是流体力学中的一个无量纲数，是表示对流换热强烈程度的一个准数, 又表示流体层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比
雷诺数：
Re
uL
惯性力 粘性力
雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则数。
普朗特数： Pr
cp
动量扩散 热量扩散
典型雷诺数：
普通航空飞机：5 000 000 小型无人机：400 000 海鸥：100 000 滑翔蝴蝶：7000 圆形光滑管道：2320 大脑中的血液流 ：100 主动脉中的血流 1000
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热设计的基础概念
100J的能量可使100g水的温度升高约0.24℃。 这并不是通过升高水的温度消耗了100J的能量。而 是在水中作为热能保存了起来。
能量既不会凭空消失，也绝不会凭空产生。这 就是最重要“能量守恒定律”。
℃是温度单位。温度是指像能量密度一样的物理量。 它只不过是根据能量的多少表现出来的一种现象。即使能 量相同，如果集中在一个狭窄的空间内，温度就会升高， 而大范围分散时，温度就会降低。
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热设计的基础概念
电子产品接通电源后一段时间内，多半转换的 热能会被用于提高装置自身的温度，而排出的能量仅 为少数。之后，装置温度升高一定程度时，输入的能 量与排除的能量必定一致。否则温度便会无止境上升。
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热设计的基础概念
很多人会认为，“热设计是指设计一种可避免发热并能使其 从世界上消失的机构”。
资料来源：美国空军航空电子整体研究项目
发热问题被确认为电子设备结构设计所面临的三大 问题之一…(强度与振动、散热、电磁兼容)
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热设计的基本要求
❖ 满足设备可靠性的要求 ❖ 满足设备预期工作的热环境的要求 ❖ 满足对冷却系统的限制要求
热设计工程师 —— 与EE, ME, Layout等项
目相关人员紧密配合，力求提高产品各方面性能 并降低成本
普朗特数是由流体物性参数组成的一个无因次数，表明温度边界层和流动边界层的 关系，反映流体物理性质对对流传热过程的影响。
格拉晓夫数：Gr
L3V gT 2
浮升力 粘性力
它反映自然对流程度的特征数。 当格拉晓夫数相当大，
✓ 强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。 ✓ 热管的传热性能比相同的金属导热要高几十倍，且两端的温差很小。
1）为最常见的界面导热材料，常采用印刷或点涂方式进行施加。 2)用于散热器和器件之间，散热器采用机械固持，最主要的优点为维修方便, 价格便宜。 3）因可以很好的润湿散热器和器件表面，减小接触热阻，所以其导热热阻很 小， 适合大功率器件的散热。 4）使用时需要印刷或点涂，操作费时，工艺控制要求较高，难度大。
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热设计的基础概念
问题：热的单位是什么？ 是℃？
热是能量的形态之一。与动能、电能及位能等一样，也存在 热能。热能的单位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用 下使物体移动1m，使1g的水温度升高0.24℃。 1J=1N·m
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热设计的基础概念
设备会持续发热。像这样，热量连续不断流动时，用“每秒 的热能量”来表示会更容易理解。单位为“J/s”。J/s也可用“W” （瓦特）表示。
L—— 特征尺寸，m； u—— 流体速度，m/s； cp—— 比热容，kJ/(kg·K)； μ—— 动力粘度，Pa·s； λ—— 导热系数，W/(m·K)； αV—— 体膨胀系数，℃－1； g —— 重力加速度，m/s2； ΔT——流体与壁面的温差。
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热辐射
任意物体的辐射能力可用下式计算
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导热介质-相变导热膜
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导热介质-相变导热膜
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导热介质-导热垫
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导热介质-导热双面胶带
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导热介质-导热双面胶带
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对流换热
流动产生的原因自强然迫对对流流
牛顿冷却公式：
Q AT
流动性质
层流 湍流
其中α为对流换热系数，单位W/(m2·K)，表征了换热表面的平均对流换 热能力。A为参与热交换的有效面积，△T为表面温度与流体温度之差。
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导热介质-导热脂
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导热介质-导热脂
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导热介质-导热脂
我公司现有导热硅脂
供应商
型号
我司编码
北京美宝
T-50
1040100171
其他一些常用导热硅脂
导热系数(W/mk) 0.785
工作温度（摄氏度） -60~200
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导热介质-导热胶
特点：
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导热介质-导热胶
导热介质-导热垫
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导热介质-导热垫
我公司现有的导热硅胶垫：
供应商 奥川科技 奥川科技 奥川科技 润和科技
型号 SPE2-40-BK SPE2-25-BK SPE2-10-BK K1000
我司编码 1040100029 1040100030 1040100031 1081201032
导热系数 尺寸 (W/mk)
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电子设备冷却方法的选择
电子设备中常用的冷却方法能够达到的对流换热系数及表面热流密度值 如下表所示：
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电子设备冷却方法的选择
✓ 设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却表面或散热器之间有一 条低热阻的传热路径。
✓ 利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。热辐射换热则 需要比较高的温差，且传热路径不容易控制。对流换热需要较大的面 积，在安装密度较高的设备内部难以满足要求。
热传导
接触热阻
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导热介质
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导热介质-导热脂
常由复合型导热固体填料、高温合成油（基础油如 硅油），并加有稳 定剂和改性添加剂调配而成的均 匀膏状物质，常用的导热脂为白色，也 有灰色或金 色的导热脂等颜色。导热颗粒通常采用氧化锌、氧 化铝、氮化硼、 氧化银、银粉、铜粉等。
特点：
1.2
4m厚;30.5mm×30.5mm;黑色
1.2
2.5mm厚;23.5mm×17.5mm；黑
色
1.2
1mm厚;13mm×18mm;黑色
1
1mm厚；200mm*400mm，硬度
邵氏15-50，灰黑色
对导热垫的性能要求和主要检测项目：
1）导热系数和热阻：热性能满足要求 2）硬度：优先选用硬度较低的材料 3）绝缘性能：要求耐压满足产品需求（一般3KV） 4）阻燃：要求材料阻燃级别达到V1及以上
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导热介质-导热垫
主要应用及特点： • 主要用于当半导体器件与散热表面之间有较大间隙需要填 充 • 用于几个芯片要同时要共用散热器或散热底盘时，但间隙不 一样的场合 • 用于加工公差加大的场合，表面粗糙度较大的场合。 • 由于导热垫的弹性，使导热垫能减振，防止冲击，且 便于安装和拆卸。
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热传导
单层平壁导热
kA
(t w1
- t w2 )
( w)
单层圆筒壁导热 多层平壁导热
l2nkr2l(tw1 tw2 )
Hale Waihona Puke r1tw1 twi1n i
i1 ki Ai
( w)
多层圆筒壁导热
2l
(t - t ) n 1 ln ri1 w1 wi1
i1 ki ri
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( w)
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热传导
热阻Rja：芯片的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热 阻，乘以其发热量即获得器件温升。
热阻Rjc：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。 热阻Rjb：芯片的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结
与单板间的温差。
图2：电子产品故障主要原因
Figure 2: Major Causes of Electronics Failures
故
障
20%振动
55%温度
率
（
10
6%粉尘
万
小
时
） 19%潮湿
(Source : GEC Research)
资料来源：GEC研究院
(Source : US Air Force Avionics Integrity Program)
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热辐射
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电子设备冷却方法的选择
温升为 40℃时， 各种冷 却方法 的热流 密度和 体积功 率密度 值
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电子设备冷却方法的选择
冷却方法可根据热流密度和温升要求，按照下图关系进行选择。这种方 法适用于温升要求不同的各类设备
由此图可知，当元件表面与 环境之间的允许温差ΔT为60 ℃时，空气的自然对流（包 括辐射）仅对热流密度低于 0.05W/cm2 时有效 。强迫风 冷可使表面对流换热系数大 约提高一个数量级，如在允 许温差为100 ℃时，风冷最 大可能提供1W/cm2 的传热 能力。
热流量是指单位时间内通过某一给定面积的热量， 单位为W。
导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两 侧表面的温差为1度（K,°C）,在1秒内，通过1平 方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/m·K,此 处的K可用°C代替）。它是表征材料导热能力优劣 的物性参数。在30 °C时，空气的导热系数为 0.027 W/m·°C ，因此可以利用空气夹层来绝热， 通常把导热系数小于0.23 W/m·°C 的材料称为 绝热材料。
Nu
L
对流换热 导热
是流体力学中的一个无量纲数，是表示对流换热强烈程度的一个准数, 又表示流体层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比
雷诺数：
Re
uL
惯性力 粘性力
雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则数。
普朗特数： Pr
cp
动量扩散 热量扩散
典型雷诺数：
普通航空飞机：5 000 000 小型无人机：400 000 海鸥：100 000 滑翔蝴蝶：7000 圆形光滑管道：2320 大脑中的血液流 ：100 主动脉中的血流 1000
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热设计的基础概念
100J的能量可使100g水的温度升高约0.24℃。 这并不是通过升高水的温度消耗了100J的能量。而 是在水中作为热能保存了起来。
能量既不会凭空消失，也绝不会凭空产生。这 就是最重要“能量守恒定律”。
℃是温度单位。温度是指像能量密度一样的物理量。 它只不过是根据能量的多少表现出来的一种现象。即使能 量相同，如果集中在一个狭窄的空间内，温度就会升高， 而大范围分散时，温度就会降低。
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热设计的基础概念
电子产品接通电源后一段时间内，多半转换的 热能会被用于提高装置自身的温度，而排出的能量仅 为少数。之后，装置温度升高一定程度时，输入的能 量与排除的能量必定一致。否则温度便会无止境上升。
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热设计的基础概念
很多人会认为，“热设计是指设计一种可避免发热并能使其 从世界上消失的机构”。
资料来源：美国空军航空电子整体研究项目
发热问题被确认为电子设备结构设计所面临的三大 问题之一…(强度与振动、散热、电磁兼容)
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热设计的基本要求
❖ 满足设备可靠性的要求 ❖ 满足设备预期工作的热环境的要求 ❖ 满足对冷却系统的限制要求
热设计工程师 —— 与EE, ME, Layout等项
目相关人员紧密配合，力求提高产品各方面性能 并降低成本
普朗特数是由流体物性参数组成的一个无因次数，表明温度边界层和流动边界层的 关系，反映流体物理性质对对流传热过程的影响。
格拉晓夫数：Gr
L3V gT 2
浮升力 粘性力
它反映自然对流程度的特征数。 当格拉晓夫数相当大，