FloEFD培訓實例8-14講目錄
第8講_獲取結果(后處理).ppt --------2
第9講_計算網格.ppt ----------------25
第10講_電子散熱基礎.ppt ------------47
第11講_載入 CAD 模型基礎.ppt --------73
第12講_與 Solidworks的協同介紹.ppt -----84
第13講_解決疑難問題.ppt ----------------------89
第14講_FloEFD電子散熱補充資料CN.ppt -----95
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第八講 獲取結果 (后處理)
載入結果
結果必須手動進行載入
Flow Analysis ->Results-> Load/Unload Results
點擊 EFD Results Main toolbar 中的 Load/Unload Results
右擊分析樹中的 Results
結果
結果出現
最常使用：切平面
切平面顯示了某個截面上的參數分布。這些參數可以以輪廓圖或等值線方式描述。
也可以在切平面上顯示矢量參數。
輪廓圖和等值線物理參數在觀察設置 （View Settings）中定義。
切平面
顯示了平面上的參數值
4 種類型 (可以組合)
輪廓圖
對等值線進行填充
等值線圖
相同值的線
矢量
箭頭表示參數方向
網格
求解網格
可以動態顯示 .
如何創建切面云圖
切面云圖 -> 插入
在特性樹中選擇切面的方向
選擇顯示類型
不要忘記激活預覽
切平面創建在幾何模型的中心
使用滑動條可移動切平面
觀察設置
定義切平面中顯示的變量 (parameter) 。
求解域內最小/最大值
當前平面中的最小/最大值
參數列表（Parameter List）： 增加或去除變量
3D 輪廓圖
3D 輪廓圖顯示參數在 section plane 平面上如何分布的，和切平面僅僅以顏色可視化（color visualization）不同，3D 輪廓圖增加了輪廓圖與 section plane 的一段距離，這段距離的大小與參數值成比例。
其中
物理參數
和比例系數
在顯示設置（View Settings）對話框下的 3D Profile 頁中定義。
表面云圖（Surface plot）顯示了所選模型面上的參數分布。
在觀察設置 （ View Settings ）為輪廓或等值線圖定義物理參數。
當表面速度為0時，通過使用“Option -> Offset”也可以在表面云圖中顯示矢量參數。
創建等值面圖：
打開觀察設置 （View Settings） 對話框并且在等值面（Isosurfaces） 頁定義你想顯示的等值面。
點擊 Flow Analysis, Results, Insert, Isosurfaces.
流動跡線
以流體流線或粒子顯示流動跡線。
流體流線是所有點速度矢量的切向擬合線。
各種動態選項
通過在模型中點擊，選擇起始表面或線
可以選擇幾個面
實體面可以作為起始表面
可以輸出至 Excel 或 Text
流動跡線 – 燈光
粒子研究
例子研究允許你顯示物理粒子的跡線和獲得粒子運動的相關信息，這些信息包括粒子對壁面的侵蝕和積聚。
這些粒子不會影響流動，但是流動影響粒子的速度和溫度(導致密度的改變)。
XY圖可以使你觀察參數沿著定義的方向是如何變化的。
你可以使用曲線和草圖(2D 和 3D 草圖和草圖線,物體邊和跡線)。
這些數據被輸出至 Excel 工作表中，其中顯示了參數圖和參數值。參數圖分別顯示在不同的頁中，所有的參數值被顯示在 Plot Data 頁。
例如：沿圓柱的周長方向的局部熱交換系數
點參數
顯示求解域內部指定點的參數值。
所關注的點可以通過點的坐標或選擇平面或表面確定。你也可以定義一個網格，網格線的交點就是顯示參數的點。
點參數顯示在表格 （Table）頁或者也可以被輸出至 Excel 工作表中。
表面參數
顯示定義表面所計算的參數值 (minimum, maximum, average 和integral)。
Local, Integral, Table 頁(Table 頁只有瞬態分析具有)
例如：
Surface flux of main chip=3.1W
Heat specified in Volume=4 W
顯示定義體積內的參數值 (minimum, maximum, average, bulk average 和 integral) 。
Local, Integral, Table 頁(Table 頁只有瞬態分析具有)。
目標云圖
研究目標在計算過程的改變。
EFD 使用微軟的 Excel 顯示目標云圖數據 (在計算完成之后)。
每一個目標在 Excel 的不同頁顯示。
概況 （Summary）頁顯示了在完成計算時刻的目標值。(對于瞬態分析而言，可以是載入時刻的值)。
報告
id_fullreport.dot –以簡單形式包含所有有用信息的文本報告。
idf_fullreport.dot -以完整形式包含所有有用信息的文本報告。(最完整報告)。
id_inputdata.dot –以簡單形式包含輸入數據的文本報告。
idf_inputdata.dot -以完整形式包含輸入數據的文本報告。
id_results.dot -以簡單形式包含結果信息的文本報告。
教程 6 熱交換系數 (可選)
第九講 計算網格
計算網格
任何 EFD 計算都在矩形計算域內完成，計算域的邊框與笛卡兒全局坐標系的軸平行。
通過設置一系列垂直于笛卡兒全局坐標系軸的平面產生計算網格，計算網格將求解域劃分為成直角的平行六面體網格。
Fluid cells – 網格內部完全是流體。
Solid cells – 網格內部完全是固體。
Partial cells – 網格內部既有固體又有流體。
Irregular cells – 與部分網格類似，內部既有流體/固體或流體/固體，但不同物質的分界面無法確定。
網格生成階段
1. 通過創建基礎網格可以生成一定數量的網格，之后通過使用控制平面（control planes）可以細化或粗化某一區域的初始網格，以便更好地求解模型中的流動特征。
2. 細化基礎網格捕捉小的固體特征，或區分物質界面(流體/固體，流體/多孔介質，多孔介質/固體界面或不同固體之間的邊界)，曲率(例如：小半徑圓周表面等)
也就是：小的固體特征細化，曲面細化，公差細化。
3. 細化特定的網格類型 (對各類網格，流體，或固體，部分網格)。
4. 細化所獲得的網格，以便更好的對狹長通道進行計算
也就是：狹長通道細化
更完美的網格可能需要一定的技術，軟件也可以很好的對網格進行劃分。
壞網格 – 壞結果。
太多網格 – 計算時間更長
初始網格等級 (Level of initial mesh) 控制基礎網格(Basic Mesh) 數量和模型中狹長通道內網格細化。
手動定義最小縫隙尺寸(Manual specification of the minimum gap size), 通過初始網格影響模型中狹長通道的求解。
手動定義最小壁面厚度(Manual specification of the minimum wall thickness), 確定模型壁面內的細化網格。
優化薄壁面求解(Optimize thin walls resolution): 保持激活狀態。
基礎網格
基礎網格是0級網格。在 2D 計算中，在不考慮的方向上僅僅生成（自動）一個網格。
默認情況下， EFD 會盡可能的將網格建成立方形。
在某些時候需要手動修改X，Y，Z方向的網格數量。
初始網格由生成的基礎網格和網格細化設置確定。
每一網格細化設置有它的標準植和等級。
細化標準（refinement criterion） 值確定了那些網格需要細化。
細化等級（refinement level） 確定被細化網格的最小尺寸。
相鄰網格之間細化等級差異不能超過1。
不管是否考慮網格細化，最小網格尺寸根據基礎網格尺寸定義，所以基礎網格的生成對于最終計算網格的生成至關重要。
區分物體之間的分界面
細小固體特征細化（Small solid features refinement）
曲面細化（Curvature refinement）
公差細化（Tolerance refinement）
公差細化
定義網格多邊形接近表面的程度。
對于細化的固體尺寸進行更多的控制。
細化等級
設置一個網格細化為多少倍，以滿足要求。
標準
控制網格多邊形的精度-表面擬合
如果右圖中的”h”值大于公差標準，網格會進行細化。
細化網格類型
通過使用細化網格(Refining Cells) 頁，你可以細化某一類具體的網格。
細化所有網格（Refine all cells）
細化流體網格（Refine fluid cell）
細化固體網格（Refine solid cells）
細化部分網格（Refine partial cells）
根據基礎網格（ Basic Mesh ）定義相應的細化網格等級。
N = 0…7
size will be in 2N times in each direction, or 8N times by volume, smaller than the basic mesh’s cells size.
狹長通道網格細化
通過使用（Narrow channels） 頁你可以在模型的流動通道內定義額外的網格，以便獲得更為精確的結果。
默認情況下在狹長通道內的網格細化總會進行。
定義控制平面
通過定義一些基礎網格平面的位置，在指定的方向和區域細化或粗化網格。這些平面稱之為控制平面（Control Planes），并且網格步長，也就是，相鄰網格平面之間的距離。
控制平面可以從現有的模型表面中選取，通過坐標和滑動條選取。
定義局部初始網格 Flow Analysis, Insert, New Local Initial Mesh
局部初始網格 （Local Initial Mesh）對話框允許你在計算域的某個區域內定義網格，從而更好的對這一區域內的模型和流體進行求解。
通過一個物體,面,邊或點來定義局部區域。
定義局部初始網格的方法類似于全局初始網格的定義
細小固體特征
分界曲面
狹長通道內網格
唯一的例外就是基礎網格不是在局部初始網格中定義的
求解自適應網格
基于變量的變化，在求解期間自動進行網格細化
Menu
Flow Analysis -> Calculation Control Options -> Refinement
計算設置的不同選項
通過‘on/off’開啟/關閉參數
設置選項
自動(Automatic)
手動(Manual)
網格劃分建議
在最初使用默認網格設置 (default (automatic) mesh settings) 創建網格。
設置初始網格等級為 (Level of initial mesh) 為 3
判斷 minimum gap size 和 minimum wall thickness,是否是合適值很重要
這會提供合適的網格值
不要關閉 the Optimize thin walls resolution 選項
因為它不需要過度的網格細化，就可以求解薄壁模型
進一步的分析所獲得的自動網格
網格總數目
解決感興趣的區域和狹長通道內網格
如果自動網格不能滿足要求，并且改變最小分析尺寸（minimum gap size） 和最小壁面尺寸（minimum wall thickness） 值也無法產生明顯的效果，你可以采用自定義網格（custom mesh）
…
或，提高初始網格等級 Level of initial mesh 為 4 或 5，并且進一步觀察
開始自定義網格，關閉狹長通道網格細化（disabled narrow channel refinement）而細小實體特征（Small solid features refinement level）和曲面細化等級（Curvature refinement level）均設為 0。
僅僅是0級網格 (僅僅基礎網格)
使用控制平面優化基礎網格。
之后，通過一步一步增加細小實體特征等級（Small solid features refinement level） 和曲面細化等級（Curvature refinement level）調整基礎網格。最后，開啟狹長通道網格細化。
最后，嘗試使用局部網格設置 （ local mesh settings）
教程 7 網格優化 (必須) 嘗試簡化 PC 模型
教程 8EFD Zooming(可選)
第十講 電子散熱基礎
目錄
PCB 板和元件建模
簡化和具體細節
IDF 輸入
熱過孔 （Thermal vias）
EL-模塊
PCB generator
2R 簡化元件
焦耳加熱
珀耳帖效應元件
對于 Flotherm 用戶: FT 和 EFD之間的操作差異
==================================
EFD vs.FLOTHERM
=================================
EFD:
各種 (曲面) 幾何模型
3-5 倍的計算時間和內存需求
自動劃分網格
直接 CAD 模型輸入
具有結構接口并且類似 CAD
適用很多流體動力學方面的物理問題
具有焦耳加熱的 3D 電仿真
FLOTHERM:
矩形模型
非常快的計算能力
手動和即時的網格劃分
半自動或手動轉換輸入 CAD 模型
定義物體和參數化元件
不需要 CAD 軟件經驗
Command Center 優化功能具有很強的應用性
只適用于電子散熱領域
手動輸入直走線上的電流
對于 FLOTHERM 用戶而言僅有的 EFD 和 FLOTHERM 之間的操作差異
物體沒有 keypointed
即便幾何模型沒有發生改變，但在從新定義材料等操作之后，需要從新進行網格劃分。
復制幾何模型的同時，不會復制物體特性
重疊實體之間以材料為序，而不是通過實體間的優先級
在求解的同時，無法進行前處理
對于非常復雜的幾何模型，首次進行項目向導所需時間可能比較長
不具有并行功能
通過 save as 和 replace 重命名零件
EFD 具有更好的 2D 熱源
功率的改變對溫度的影響很慢
2-resistor 模型需要 2 個正確面積的塊
散熱模型要求
原則上，任何 CAD 文件都可用于電子散熱的計算，然而
機械工程圖包含了太多的細節
通常不是一個散熱模型!
進行簡化并且需要改進/替代
去除螺釘，管腳，引腳，封口等
封閉的孔洞
替代風扇的葉片模型和拉伸的打孔板
創建物理元件和板級模型
PCB板建模
不是僅僅使用環氧材料 (k=0.2 W/m K)
Level 0: k=10 W/m K
Level 1: 正交各向異性熱導率
Level 2: 具有更多細節的獨立層
Level 4: 所有回路(走路)。不建議
IDF 是一種標準的 ASCII 格式，用于板子輪廓和元件
*brd,*bdf / *emn,*emp / *.bdf,*.ldf / 其它
There are dialects spoken
Specification available on demand
FLOTHERM 讀取
僅僅邊框很快
尺寸和名稱可能過濾
EFD.lab 讀取
所有細節很慢。
沒有過濾
IDF 元件僅僅是 “圖片”
IDF 修復
刪除不需要的小元件
將它們的熱功耗施加至整個板子上
刪除管腳和不需要的細節(孔洞)
通過元件模型取代芯片
2R
詳細模型
PCB 生成器(EL 模塊)
通過手動輸入K值，可以將平板定義為PCB板子。
通過 PCB 生成器可以有更多應用
可以獲得雙軸熱導率值，自動由PCB結構和定義的導體和絕緣材料確定PCB板垂直和平面方向的熱導率。
PCB板也可以根據全局坐標系進行任意方向的布置。
也就是，可以對傾斜的 PCB 板進行建模。
建模建議：
PCB 的外形必須是矩形。
在一塊傾斜 PCB 與另一塊非傾斜的PCB 相交的例子中，推薦傾斜的PCB板直接插入至非傾斜 PCB 板或連接器中，并且需要對連接區域進行網格細化。
在右圖所示的例子中，連接區域需要很好的解決：
最方便的方法就是在兩個連接器和兩個傾斜PCB邊緣應用局部網格，之后對其設置相應的網格細化等級。
熱過孔
熱過孔通過一個實體建立，這一實體在垂直PCB板方向上具有等效導熱系數。
需要了解詳細的圖層情況
封裝建模
通常 CAD 元件庫中不具有元件熱模型
晶體管建模
Level 0:
僅僅使用一個銅塊作為熱源
刪除輔助的裝置（管腳，封裝)
Level 1:
在塑料塊內部增加一個硅芯片和銅
元件相嵌 (參見第三天內容)
Level 2:
利用管腳、芯片、粘合劑等建立熱模型
其它 (邏輯) 封裝
Level 0: 具有均勻熱導率的塊
k=5 to 20 W/m K
表征外殼溫度
Level 1: 2-Resistor 簡化模型
如果你認可 datasheets 中的數據
注意：只有在熱量主要是向 PCB 板或芯片封裝上部傳遞時，2R 模型的概念才是正確的。在差不多一半的情況下是不夠精確的。
2R- 簡化模型(EL 模塊)
這是最為簡單的網絡簡化模型，由結點至外殼 (Rjc) 和結點至板子 (Rjb) 熱阻構成。
在 EFD中，以上兩個參數被應用至由兩個描述結和殼的兩個實體塊之上。
內置了標準的 JEDEC 封裝雙熱阻模型。
建模建議：
外殼上表面應細分，以便最小化網格的尺寸，這些網格在上表面邊緣劃分 (圖形中對應的藍色網格)。
通過設置控制平面，輕微的將其由邊緣移向表面中心或者在上表面采用局域化網格加密，可以滿足這一要求。
差的結果：Cut off 的網格（藍色網格）總面積不足。
良好的結果(定義四個控制平面)： Cut off 的網格總面積可以忽略。
EFD: EL-模塊功能列表 EDB = Engineering Database
升級
焦耳加熱
雙熱阻簡化模型
打孔板
熱管簡化模型
PCB 生成器
EDB: 元件雙熱阻模型庫
EDB: 打孔板庫
EDB:風扇廠商庫
EDB:元件材料庫
EDB: TEC 廠商庫
EDB:電子固體材料庫
EDB: 導熱界面材料
打孔板(EL 模塊)
這一簡化模型可以用于描述具有大量小孔的薄板。不需要進行網格劃分，只需直接描述孔的特征。
可以在其上定義邊界條件，例如環境壓力條件或已定義的風扇。 a
通過設置 Free Area Ratio 、孔的形狀（圓形、矩形、多邊形）和尺寸可以定義打孔板。
自動計算壓降損失系數 （Pressure drop coefficient）。
電方面效應 “焦耳加熱”(EL 電子模塊)
導電體中穩態直流電。
焦耳加熱的影響 R*I2 會自動進行計算，并且可以包括在熱交換計算中。
材料的電阻可以使各向同性、各向異性和隨溫度變化。
只能在導電固體中計算電壓和電流，也就是金屬和含有金屬的材料。
絕緣材料，半導體，流體和空的區域不參與至焦耳加熱的計算中。
建模建議
建議很好的處理那些沒有與全局坐標系對齊的薄元件，例如：薄曲導線。在厚度方向有5個網格可以獲得比較良好的薄曲導線仿真結果。如果元件與全局坐標系對齊（不彎曲、未與網格成角度），則不需要細化該元件的網格。
對于高導材料而言，建議提高網格求解精度。
接觸的區域也應通過計算網格進行很好的處理。
熱管簡化模型(EL 模塊)
熱管的簡化描述需要定義熱管的總有效熱阻（overall effective thermal resistance） ，這主要基于被設計系統的性能、元件對齊方向、定義的熱流方向兩個面。
熱管的性能受很多因素影響，例如：傾斜方向、長度等。通過定義不同的有效熱阻（effective thermal resistance）用戶可以仿真模擬不同的情況。
避免了模擬熱管內部復雜的相變過程。
Engineering Database – 升級(EL 模塊)
功能
大量固體、風扇、熱電制冷元件、雙熱阻元件被添加至工程數據庫中（Engineering Database）。
增加了導熱界面材料庫。
增加了一個實體描述的常用 IC 封裝庫，它將IC封裝簡化為具有等效密度、比熱和熱導率的一維實體，從而用于仿真模擬。
獲益
用于可以直接進行預定義和驗證電子元件的相關特性，這些元件是用戶設計中所采用的。
方便用戶選擇合適和正確的元件數據。
通過用戶自己定義或者用戶希望添加庫中沒有的元件供應商數據，工程數據庫可以進一步的擴展。
EDB: 風扇制造商庫 (EL 模塊)
EDB: 元件材料庫 (EL 模塊)
支持 JEDEC 標準的綜合性數據庫，JEDEC 制定了單片機封裝元件熱模型的標準。
支持以下封裝類型：CBGA, Chip Array, LQFP, MQFP, PBGA, PLCC, QFN, SOP, SSOP, TQFP, TSOP, TSSOP
EDB: TEC 制造商庫 (EL 模塊)
支持 Marlow 和 Melcor 的產品。
EDB:電子固體材料庫 (EL 模塊)
升級分類，包含了電子領域常用的材料。
包含了所有合金、陶瓷、玻璃、礦石、壓層板、金屬、聚合體和半導體等材料特性。
對于常用的 IC 封裝，包括了一個 one-resistor 庫。
EDB: 導熱界面材料庫 (EL 模塊)
支持 Bergquist, Chomerics, Dow Corning 和 Thermagon 等廠商的導熱界面材料
接觸熱阻經常是用戶所需要考慮的，并且合適的數據很難確定, 所以這些基于制造商的數據一般認為是可靠和可信的。
FloEFD資料下載: FloEFD培訓實例8-14講.pdf
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