FloEFD典型耦合热交换仿真分析怎么做？

摘要：

FloEFD是一款完全集成在设计软件中的软件，利用经检验的计算流体动力学技术计算模型内外的流体，以及因对流、辐射和传导而对模型产生的热传递。相对于FloTHERM和Icepak而言，由于专门为工程师设计，上手更为容易，网格划分更为简单，分析流程更为简洁，但功能齐全。既适合热学或流体工程师做专业研究使用，又适合结构或电子工程师等作为辅助工具应用。

现拿一个典型耦合热交换的案例，完整展现FloEFD for CREO工作流程以及分析思路。该例子包含外壳、主板、PCB、电容、电源、散热器、芯片、风扇等，其基本原则不仅适用于所有的散热问题，而且对于那些关注电子设备内流动和热交换的读者来说特别有借鉴意义。

一、准备模型

在分析模型之中，有些零部件是不需要分析。在进行流动分析之前，仔细检查模型中不参与到分析的元器件是一种良好的习惯。打开名称为encloure_assembly.ASM模型，观察模型并删除不需要分析的零部件。

本案例以在外壳入口处通过设定一个边界条件来对风机进行仿真，所以可以将风扇外壳、风扇和固定螺丝剔除。

由于考虑封闭外壳的主动散热分析，在内部分析之前，首先创建封盖来封闭模型。

检查模型，选择内部，观察结果窗口，还是很顺利初步判断不存在模型问题。当然，很多时候会检查出非水密空间、模型准备失败等，那么都要对应加以处理，后续的课程详细介绍。

二、创建项目

FloEFD向导是为了方便用户逐步创建新项目，根据以下要求，完成项目向导的设置。

这里的初始条件设置为与环境一样。但像这种进行稳态分析的时候，设置一个与最终仿真结果值相近的初始值有助于加速迭代计算的收敛。

三、边界条件

风扇是一种流动的边界条件，可以在模型的入口或者出口，也可以在内部流动区域内。此处只要在入口处插入风扇，并选择工程数据库中的预定义的405风机曲线作为对风扇的定义，并设置转速100rad/s。然而，更多时候需要我们自己定义风扇，那么得按照风扇的性能特性曲线来创建。

由于出风口直接与大气相连，设置压力为环境压力。

四、定义热源

按照以上表格定义热源属性，插入体积热源，其中大芯片和芯片设置功耗，电容和电源设置温度属性。除了体积热源以外，还可以定义面热源，往往可以考虑一些很薄固体热源的简化，相当于不考虑固体内的传导。

五、定义固体材料

由于PCB FR1本身结构复杂且各向异性，预定义的工程数据库无法找到，可新建材料来等效PCB的热属性，设置垂直于PCB方向的导热率为0.35 W/(m*K)，平行于PCB方向的导热率为30 W/(m*K)。大芯片和芯片使用硅，散热器使用铝，进出口端盖设置绝缘材料，都可以直接在数据库中选取。

六、定义目标

目标的定义一方面方便知晓关键元器件的状况，另一方面用于控制求解收敛的。设置全局目标为静压和温度的平均值，设置体积目标为芯片的温度。

七、网格划分

FloEFD是使用有限体积法来划分网格。此案例为了计算方便快捷，网格使用默认即可，实际可手动设置参数对热梯度较大或者流动波动较大的区域进行局部细化。显示的网格如下：

八、后处理

本案例使用小芯片为收敛目标的收敛曲线如上。另外，还可以实时查看温度、静压等的分布云图。这有个好处就是，一当发现温度异常高等问题，可以及时停止求解。

查看某一横截面的温度及速度分布云图

查看某一纵截面的温度分布云图：

查看除了外壳以外的，所有固体部件的温度，发现右上角的小芯片温度最高为43.4℃。

查看速度流动迹线图，后排小芯片只有少量的迹线，属于低速区，因为存在散热问题对应的温度偏高。另外，左上角的角落存在回流现象。这些问题后期可以通过重新布局PCB分布、调整风扇位置或增加导流板等解决。

九、小结

通过以上机箱散热案例，基本展示FloEFD的基本功能，由于篇幅有限未详细展开。此外，未考虑辐射、重力、网格精度等影响，在仿真秀官网后期推出的课程中进行详细讲解。点击右方文字观看>>>《FloEFD技能培训10讲-建立被动与主动散热仿真分析能力》

你将获得：

① 学员可以了解FloEFD软件的原理与优势，以及模型导入、检查、准备和简化的技巧；

② 解决学员网格设置和划分时遇到的疑问和难点，帮助。学员熟悉和解读求解过程；

③ 学员可以掌握参数化优化的方法，提出合理的改进方向；

④ 掌握热仿真分析结果后处理的方法，能够正确解读热仿真结果；

⑤ 学员可以掌握被动散热与主动散热的基本操作和方法，以及工作流程、项目管理等必备技能；

作者：CAE白堤，仿真秀科普作者

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