热设计网

实际到仿真模型的转换——Flotherm关键对象物理意

leon2016
热设计网

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,但这种简化会显着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,对于产品的温度表现做一个摸底和趋势性的判断,仿真确实是有很大价值的。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,其对软件的操作可能已经烂熟于胸,但由于完全没有理论支撑,其建立的热仿真模型有可能漏洞百出,热仿真结果与散热实际表现天差地别,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,还有可能将设计引领向错误的方向,造成巨大的损失。

标签: 点击: 评论:

留言与评论(共有 0 条评论)
???
验证码: