FloTHERM软件基础与应用实例

内容全面：涵盖FloTHERM 软件热仿真所有环节

注重实用：详细介绍如何进行工程实际案例仿真

超值附赠：三大热仿真实例模型和相关仿真数据

封装元件的高热流密度趋势、电子产品的小型化发展方向和使用环境的多样化，使电子产品散热面临着史无前例的巨大挑战。同时电子产品又具有市场周期短、产品竞争激烈的特点。企业如何高效地确定产品散热方案成为了重中之重。以往的电子产品方案设计流程已逐渐被淘汰。在产品设计初期通过仿真分析软件进行方案的遴选，设计后期通过测试确定方案效果的研发模式已为很多企业所采用。美国市场研究公司Aberdeen Group在2011年的研究报告The ROI of Concurrent Design with CFD中指出，在产品研发中使用CFD进行仿真分析可以使在产品质量目标、销售收入目标、保证产品上市日期和成本目标等方面的达标率提升6～13个百分点。

FloTHERM作为第一款针对电子散热的商业化CFD软件，已在行业内普遍应用。但据作者了解，行业内对这款软件的理解和使用仍存在一定欠缺，主要有以下两个原因：首先，CFD是一种涉及数值计算方法、传热学和流体力学等多门学科的技术，在对软件使用和掌握的过程中需要一定的指导和积累；其次，电子行业存在产品宽泛、产品更迭快速的特点。小到几毫米的封装芯片，大到几万平米的数据中心，每一个产品都具有各自的热特性和散热机理，如何正确建立电子产品的仿真模型和边界条件是软件在实际应用中的重点。所以，除了掌握软件基本的操作和命令之外，了解和熟悉软件的背景原理及具体应用也尤为重要。作者正是基于这样的想法，将本书以软件为名，但又不仅限于软件。在介绍软件使用操作的同时，尽可能兼顾其所涉及的背景原理和实际应用，以期能使读者更为正确地理解和使用软件。

本书分为软件基础入门与应用实例两大部分。软件基础入门以热仿真工作流程：建立模型、网格划分、求解计算、结果处理和优化设计为主线，逐一介绍了软件的相关模块、背景原理和使用技巧。其中第2章FloTHERM中传热学与流体力学基础将传热学、流体力学等传统学科与软件相结合，以一种易于理解的形式阐述了软件处理流体流动和传热传质的方法与技巧，有助于读者正确理解软件的使用流程和方法。第4章智能元件从原理背景、软件处理方式和实际应用注意事项等方面详细介绍了电子行业常用元件，如芯片、PCB和风扇等的热特性和仿真建模技巧，为读者正确建立仿真模型提供了可能。一直以来网格划分都是CFD仿真工作的难点和重点。第6章网格划分在介绍软件网格划分命令的同时，也分享了一些作者在网格划分方面的经验和方法，以期能帮助读者建立更高品质的网格。CFD仿真工作的另一个重点是求解计算的收敛性。第7章求解计算从计算收敛标准、残差曲线形式和残差曲线收敛性调整等方面进行了具体阐述和解释，章节最后给出的残差曲线收敛改善实例对读者在软件使用过程中调整计算收敛性有一定的借鉴意义。如果仅将FloTHERM软件作为一款产品方案的验证工具，那么软件的价值和意义将会大打折扣。第9章 Command Center优化模块在介绍软件实验设计、顺序优化和响应面优化功能的同时，通过实例进一步展示如何将这些功能应用于产品方案的优化设计中。软件应用实例部分由封装级、系统级和环境级3个实例组成。第10章BGA封装芯片热仿真实例详细介绍了如何建立BGA封装芯片的详细模型以及结合FloTHERM PACK在线工具获得JEDEC标准认定的RJA和RJB等热阻值。其中关于BGA芯片内部Die、Wire Bond、Substrate和Solder Ball等的建模方法和处理方式均得到实验验证和广泛肯定。第11章户外通信机柜热仿真实例首先介绍了如何通过数值风洞简化通信机柜模块；其次根据户外通信机柜需要考虑太阳辐射等特点，给出了类似项目仿真的注意事项和建议。其中通过组合使用Align、Move和Pattern等命令，可大幅加快仿真项目几何建模速度。第12章数据中心热仿真实例首先介绍了如何通过FloMCAD接口模块将数据中心布局数据导入至软件中，其次展示如何通过鼠标直接拖拉的方式进行几何建模。此外，基于软件对XML文本的支持，直接采用Excel软件进行机柜的建模。本实例展示了软件创建几何模型的多种功能，尽可能提升仿真建模的效率。本章最后的网格质量调整过程，读者也可以举一反三应用至其他的仿真项目中。

本书在写作过程中遵循热仿真工作的基本流程，建议读者在阅读本书过程中循序渐进，先学习软件基础入门部分，再练习实例应用中的内容。对于本书有关软件使用的内容，建议在软件中进行具体的操作，以加深理解和认识。

FloTHERM软件是Mentor Graphics公司机械分析部门的旗舰产品。作者首先要感谢Mentor Graphics公司机械分析部门中国区的所有同事。作者在学生时代就与其中很多人结识。其中有同事由于寻求更好的发展而离开，也有同事转至兄弟部门。但不断有新成员加入，使这个团队始终保持着锐意进取的精神和活力。作者非常有幸能与他们一起工作和学习。一直以来他们的支持和鼓励是作者前进的动力和基石。此外本书在写作过程中得到行业内诸多资深专家的帮助：施耐德电气（中国）有限公司的郑臻轶对第2章内容进行审核并提出写作建议；展讯通信（上海）有限公司的王虎对第4章的撰写提供诸多有益的帮助和建议；上海贝尔股份有限公司的魏芃撰写第11章的大部分内容，并仔细审核了应用实例部分内容；国际商业机器（中国）投资有限公司的陈文鑫对第10和12章的撰写提供大力帮助，给出了诸多撰写建议和指导，使作者深受启发。最后作者要感谢自己家人，是他们的支持与鼓励使作者能在较短的时间内完成本书的写作工作。

由于作者水平有限，加之写作过程中恰逢FloTHERM 10.0版本推出，本书从写作到出版的整个过程都非常紧促，书中错误和不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正，作者邮箱：Lee_1943@hotmail.com。正如古人云：“奇文共欣赏，疑义相与析。”

李波

2014年2月

第1章 FloTHERM概述 1
1.1 FloTHERM软件介绍 1
1.2 FloTHERM软件背景原理 1
1.3 FloTHERM功能特点 2
1.4 FloTHERM工程应用背景 3
1.5 FloTHERM软件模块 4
1.6 FloTHERM软件安装 7
1.6.1 FloTHERM软件Windows版本安装 7
1.6.2 许可证安装 11
1.6.3 浮动版软件客户端许可证设置 14
1.7 FloTHERM软件主界面 14
1.8 FloTHERM简单实例分析 15
第2章 FloTHERM中传热学与流体力学基础 22
2.1 热传导 22
2.1.1 热传导微分方程式 22
2.1.2 傅里叶定律 22
2.1.3 热导率 23
2.1.4 热阻 25
2.1.5 二维矩形区域稳态热传导问题
数值求解 26
2.1.6 小结 28
2.2 对流换热 28
2.2.1 对流换热的起因与状态 28
2.2.2 牛顿冷却定律 29
2.2.3 对流换热无量纲准则数 29
2.2.4 外掠平板强迫对流换热实例 30
2.2.5 小结 32
2.3 热辐射 32
2.3.1 热辐射的相关概念 32
2.3.2 热辐射基本定律 33
2.3.3 红外辐射换热计算 35
2.3.4 太阳辐射 36
2.3.5 FloTHERM中的红外辐射计算 37
2.3.6 FloTHERM中的太阳辐射计算 41
2.3.7 红外辐射计算实例 43
2.3.8 太阳辐射计算实例 44
2.3.9 小结 46
2.4 流体流态 47
2.4.1 湍流问题数值模拟求解 47
2.4.2 FloTHERM中的层流流动 48
2.4.3 FloTHERM中的湍流模型 49
2.4.4 小结 51
2.5 瞬态分析 51
2.5.1 背景 51
2.5.2 FloTHERM瞬态仿真分析介绍 53
2.5.3 FloTHERM瞬态仿真分析实例 56
2.5.4 小结 68
2.6 重力 68
2.6.1 FloTHERM中的重力加速度设置 68
2.6.2 FloTHERM中的浮升力计算 69
2.6.3 小结 70
2.7 流体 70
2.7.1 空气物性参数 70
2.7.2 水物性参数 71
2.7.3 FloTHERM中的流体特性 72
2.7.4 Fluid特性应用 72
2.7.5 小结 73
2.8 边界条件 73
2.8.1 温度对电子设备散热的影响 73
2.8.2 压力 74
2.8.3 Boundaries Face 75
2.8.4 System的Ambient特性 76
2.8.5 Model Setup中的Pressure和
Temperature 77
2.8.6 Ambient Temperature和Default
Ambient Temperature设置 78
2.8.7 小结 80
2.9 求解域 80
2.9.1 环境对系统设备的影响 80
2.9.2 系统外部物体的影响 81
2.9.3 系统外无重要影响因素 81
2.9.4 Cutout 83
2.9.5 小结 83
第3章 软件常用命令 84
3.1 Project菜单 84
3.2 Edit菜单 87
3.3 View菜单 89
3.4 Geometry 菜单 89
3.5 Model Setup菜单 94
3.6 Grid菜单 94
3.7 Solve菜单 95
3.8 Window菜单 95
3.9 Viewer菜单 96
3.10 Help菜单 98
第4章 智能元件 99
4.1 封装元件 99
4.1.1 背景 99
4.1.2 封装元件在FloTHERM中的建模 99
4.1.3 封装元件建模实例 103
4.1.4 小结 105
4.2 PCB 105
4.2.1 背景 105
4.2.2 PCB智能元件 105
4.2.3 过孔简化 108
4.2.4 PCB在FloEDA中的处理 108
4.2.5 PCB通过FloEDA模块建模
应用实例 111
4.2.6 小结 114
4.3 散热器 115
4.3.1 背景 115
4.3.2 散热器智能元件 118
4.3.3 散热器智能元件应用实例 125
4.3.4 小结 126
4.4 导热界面材料 126
4.4.1 背景 126
4.4.2 导热界面材料在FloTHERM中的
建模方法 129
4.4.3 导热界面材料应用实例 130
4.4.4 小结 132
4.5 热电制冷器 133
4.5.1 背景 133
4.5.2 FloTHERM中的热电制冷器建模 135
4.5.3 热电制冷器特性参数 138
4.5.4 FloTHERM中热电制冷器应用实例 138
4.5.5 小结 140
4.6 热管 141
4.6.1 背景 141
4.6.2 热管智能元件 142
4.6.3 热管智能元件应用实例 143
4.6.4 小结 144
4.7 风扇 144
4.7.1 背景 144
4.7.2 轴流风扇智能元件 148
4.7.3 前向叶片离心风扇模型 153
4.7.4 后向叶片离心风扇模型 154
4.7.5 轴流风扇建模实例 154
4.7.6 前向叶片离心风扇建模实例 155
4.7.7 后向叶片离心风扇建模实例 158
4.7.8 其他 159
4.7.9 小结 161
4.8 流动阻尼元件 161
4.8.1 背景 161
4.8.2 流动阻尼智能元件 162
4.8.3 流动阻尼在FloTHERM中的
应用实例 166
4.8.4 小结 173
4.9 电子设备外壳 174
4.9.1 背景 174
4.9.2 外壳智能元件 174
4.9.3 外壳智能元件应用实例 175
4.9.4 小结 178
4.10 热交换器 179
4.10.1 背景 179
4.10.2 热交换器智能元件 179
4.10.3 热交换器应用实例 182
4.10.4 小结 185
4.11 机柜 185
4.11.1 背景 185
4.11.2 机柜智能元件 186
4.11.3 机柜应用实例 187
4.11.4 小结 188
4.12 机房空调 188
4.12.1 背景 188
4.12.2 空调智能元件 188
4.12.3 机房空调应用实例 190
4.12.4 小结 191
4.13 Region 191
4.13.1 背景 191
4.13.2 Volume Region 192
4.13.3 Collapsed Volume Region 194
4.13.4 Collapsed Volume Region仿真数据
获取实例 194
4.13.5 小结 195
第5章 特性 196
5.1 Ambient特性 196
5.2 Fluid特性 197
5.3 Grid Constraint特性 198
5.4 Material特性 199
5.5 Radiation特性 201
5.6 Resistance特性 201
5.7 Source特性 202
5.8 Surface特性 204
5.9 Surface Exchange特性 205
5.10 Thermal特性 206
5.11 Transient特性 207
第6章 网格划分 209
6.1 网格划分步骤 209
6.2 几何模型处理 209
6.3 系统网格设置 210
6.4 网格约束与局域化 212
6.5 重要区域网格划分经验 214
6.5.1 轴流风扇 214
6.5.2 散热器 215
6.5.3 PCB 215
6.6 网格质量调整 215
6.7 网格独立性 217
6.8 网格划分实例 218
6.9 小结 222
第7章 求解计算 223
7.1 Profiles窗口介绍 223
7.1.1 Profiles窗口作用 223
7.1.2 Profiles窗口界面 223
7.2 求解收敛判断标准 224
7.3 求解计算参数残差值 225
7.4 参数终止计算残差值 226
7.4.1 压力终止计算残差值 226
7.4.2 速度终止计算残差值 227
7.4.3 温度终止计算残差值 227
7.5 参数残差曲线的形式 227
7.6 出现收敛问题的原因 228
7.6.1 与参数终止计算残差值相关 228
7.6.2 仿真模型创建错误 229
7.6.3 网格质量和数量 229
7.7 求解选项设置 230
7.8 参数残差曲线收敛改善方法 232
7.8.1 仿真模型检查 232
7.8.2 确定引起收敛问题的原因 233
7.8.3 求解选项调整 233
7.8.4 采用Monitor Point Convergence For
Temperature功能 233
7.8.5 残差曲线收敛改善实例 233
7.9 小结 236
第8章 Visual Editor后处理模块 237
8.1 Visual Editor介绍 237
8.1.1 Visual Editor作用 237
8.1.2 Visual Editor界面 237
8.2 Visual Editor图形后处理 238
8.2.1 基本操作 238
8.2.2 全局设置 240
8.2.3 Viewer设置 241
8.2.4 Geometry设置 241
8.2.5 结果设置 242
8.2.6 标注 248
8.2.7 动画 248
8.2.8 结果输出 249
8.3 Visual Editor 表格后处理 249
8.3.1 结果数据类型 249
8.3.2 数据结果输出 253
8.3.3 自动创建结果报告 253
8.4 小结 254
第9章 Command Center优化模块 255
9.1 Command Center优化模块介绍 255
9.1.1 Command Center作用 255
9.1.2 Command Center界面 255
9.1.3 Command Center使用流程 255
9.2 输入变量 256
9.2.1 数据输入形式 257
9.2.2 图形输入形式 258
9.3 输出变量 258
9.4 创建方案 258
9.4.1 默认创建方案 258
9.4.2 Multiply Input Variables创建方案 259
9.4.3 实验设计创建方案 260
9.4.4 方案列表 262
9.5 方案求解监控 263
9.6 方案优化设计 264
9.6.1 顺序优化 265
9.6.2 响应面优化 265
9.7 优化方案结果处理 266
9.8 Command Center优化实例 267
9.9 小结 272
第10章 BGA封装芯片热仿真实例 273
10.1 BGA封装芯片背景 273
10.2 BGA封装芯片热设计目标 273
10.3 BGA封装芯片散热机理 273
10.4 BGA封装芯片热仿真概述 274
10.4.1 热仿真目标 274
10.4.2 热仿真流程 274
10.4.3 热仿真所需信息 275
10.5 BGA封装芯片热仿真 277
10.5.1 BGA封装芯片建模 277
10.5.2 BGA封装芯片RJA热阻热仿真 289
10.5.3 BGA封装芯片RJB热阻热仿真 295
10.6 小结 302
第11章 户外通信机柜热仿真实例 303
11.1 户外通信机柜热设计背景 303
11.2 户外通信机柜冷却架构 303
11.3 户外通信机柜热设计方法 304
11.4 户外通信机柜热仿真概述 304
11.4.1 热仿真目标 304
11.4.2 热仿真流程 304
11.4.3 热仿真所需信息 305
11.5 户外通信机柜热仿真 305
11.5.1 Shelf模块简化 305
11.5.2 户外通信机柜稳态热仿真分析 325
11.6 小结 344
第12章 数据中心热仿真实例 345
12.1 数据中心热设计背景 345
12.2 数据中心热设计挑战 345
12.3 数据中心热设计目标 346
12.4 数据中心冷却架构 346
12.5 数据中心热仿真概述 348
12.5.1 数据中心介绍 348
12.5.2 热仿真目标 348
12.5.3 热仿真流程 349
12.5.4 热仿真所需信息 349
12.6 数据中心热仿真 349
12.6.1 建立仿真模型 350
12.6.2 网格划分 378
12.6.3 求解计算 382
12.6.4 结果分析 383
12.7 小结 384
参考文献 385

1. 输水管线工程风险管理 [张勇 党亥生 著]
2. 民用航空飞机标准线路施工 [主编　王志敏　陈明]
3. 不息的水脉—大运河讲谈录 [赵珩　著]
4. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
5. 三峡梯级电站水资源决策支持系统研究与开发 [姚华明 潘红忠 汤正]
6. 海南黎族民俗文化鉴赏 [庞国华　著]
7. 石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用 [李艳秀 庄华伟 著]
8. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
9. 办公自动化高级应用 [陈萍 朱晓玉]
10. 信息处理技术员考试32小时通关 [薛大龙]
11. 电子产品设计案例教程（微课版）—基于嘉立创EDA（专业版） [王静 莫志宏 陈学昌 丁红]
12. C程序设计实践教程 [刘卫国]
13. C程序设计（慕课版） [刘卫国]
14. Web技术开发教程（基于.NET开源MVC框架） [王合闯 韩红玲 王青正 陈海蕊]
15. 商务英语翻译教程（笔译）（第四版） [主编 王军平]
16. 智慧零售技术与应用 [洪旭 著]
17. 建设工程法规实务 [主编 余滢]
18. 商务秘书理论与实务（第三版） [主编 张同钦]
19. 程序设计基础实践教程（C/C++语言版） [张桂芬 葛丽娜]
20. C++案例项目精讲 [主编 杨国兴]
21. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
22. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
23. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
24. 信息系统项目管理师章节习题与考点特训（第二版） [主编 薛大龙]
25. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
26. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
27. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
28. HCIA-Datacom认证题库分类精讲 [主 编 韩立刚]
29. SwiftUI完全开发 [李智威 著]
30. 网络规划设计师备考一本通 [夏杰 编著]