1基于Flotherm的散热器的优化设计 摘要：本文对电子设备中常用散热器的分类、矩形肋散热器的设计准则及设计方法进行了介绍，并给出了矩形肋散热器的设计经验公式和参考数据。论文还介绍了多款可对散热器进行辅助设计的计算机软件，并详细介绍了利用Flotherm软件中的Command Center（优化设计模块）来对散热器进行优化设计。 关键词: 电子散热 散热器 Flotherm 优化设计 1 引 言 随着电子组件发热密度的不断增加，散热需求也日益增加，散热设计的困难度也越来越高，所花费的成本也越来越多。在电子设备中，气冷散热器是最经济、最可靠的散热方式，利用散热器来增加散热面积也是热管理技术中最常见最基本的方式，因此如何提升散热器效率成了很重要的研究课题。 近年来，为了满足电子散热的需求，散热器在形状、材料及制作工艺上都有了长足的发展，此外，还通过整合其它散热组件（如热管）的设计方式来增加其在应用时的效率。这样，对于同一个散热问题，散热器的设计会在其形状、材料等方面出现多种解决方案，如何快速在众多方案中做出合理选择，并能够降低设计和制造成本就显得尤为重要。本文介绍了利用热分析软件Flotherm中的Command Center模块来对散热器进行优化设计。 2 散热器相关理论 2.1 散热器的分类 散热器的种类通常以其制作工艺的不同来分。由于散热器的制作工艺多种多样，散热器可分为如下几类：压印(Stampings)、挤型(Extrusion)、铸造(Casting)、接着(Bonding)、折迭(Folding)、改良式的铸造(Modified die-casting)、锻造(Forging)、切削(Skiving)、机械加工(Machining)等。图1显示了其中几种不同工艺情况下的散热器。可以看出，各种散热器都由两部分组成：肋片和基板。肋片有鳍片状，称为直肋散热器；圆柱或矩形柱状，称为针肋散热器。制造散热器的材料通常为铝和铜，有时也会根据其材料类型来命名散热器。 图1 不同工艺下的散热器 在电子设备中，直肋散热器应用最多。根据肋片的截面形状不同，直肋通常分为矩形肋、梯形肋、三角肋和抛物线肋等。对这几种散热器进行比较，矩形肋散热器的散热效果较差，但加工方便，经济性最好；其它几种散热器加工难度都比较大，尤其是抛物线肋散热器，因此在工程中也比较少见。本文中主要介绍的是对矩形肋散热器的优化设计。 2.2 散热器的设计方法 2.2.1 散热器的设计准则
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FloTHERM方案
1. 购买FloTHERM的必要性：
随着电子设备使用环境多样化、设备小巧化、热耗上升化、功能多样化等的发展趋势，而热温是电子设备产生故障率的主要因素，所以发热问题被确认为是电子设备结构设计所面临的三大问题(强度与振动、散热、电磁兼容)之一。FloTHERM是解决电子设备散热问题最专业的仿真软件，能在最短的时间内解决电子设备的散热问题。
密闭机箱里有发动机、电路板以及大量的电子元器件，这些电子设备在工作运行中，将产生大量的热，尤其是在单位面积内，热流的密度会非常的大，而这些热量如果不能及时散去，将影响其正常使用，并对整个操作设备造成不可估量的影响，高温甚至会损坏这些电子设备，造成不必要的浪费，增加我们的企业成本。
针对以上的问题，应用专业的散热分析软件FloTHERM可以做到：
A对密闭机箱里的所有热源进行详细的分析；
B 对机箱里的热量、热流动状态等进行定量分析；
C 对机箱里的电子元器件进行合理布局；
D很好地解决密闭机箱里的散热问题；
E 避免密闭机箱里潜在的散热问题
……
2. FloTHERM的功能特点：
FloTHERM的适用范围：元器件级：芯片和器件封装级热分析和热设计；板级和模块级：PCB板级和模块级热分析和热设计；系统级：机箱机柜等系统级散热方案的选择优化、散热器件的选型；环境级：机房、外太空等大环境的热分析及热设计
2.1 完整的智能部件库，覆盖了与热设计有关的全部电子部件；
2.2 多级参数化智能电子器件，同一项目可提供简约模型和详细模型；
2.3 与Windows资源管理器风格一致的项目管理器，可以用拖拽方式管理项目；
2.4 CAD风格的图标模型菜单，设计师按照设计习惯快速建模；
2.5 多重嵌入式局部化网格，在确保计算精度的同时，可大大提高计算效率和处理复杂结构的能力；
2.6 模型与网格动态关联，建模和网格一步完成；
flotherm边界条件
摘要：
1.Flotherm 简介
2.Flotherm 边界条件概述
3.Flotherm 边界条件的分类
4.Flotherm 边界条件的设置方法
5.Flotherm 边界条件的应用实例
6.Flotherm 边界条件的注意事项
正文：
1.Flotherm 简介
Flotherm 是一款专业的热仿真软件，广泛应用于电子设备热设计、散热系统优化以及热力学分析等领域。通过模拟产品的热性能，Flotherm 能够有效地预测和优化产品的热行为，从而降低产品的热故障风险，提高产品的可靠性和使用寿命。
2.Flotherm 边界条件概述
在 Flotherm 中，边界条件是指在求解热传导问题时，需要给定的物体表面的热流条件。边界条件对于求解热传导问题至关重要，因为它们直接影响到求解结果的准确性和可靠性。
3.Flotherm 边界条件的分类
Flotherm 中的边界条件可以分为以下几类：
（1）第一类边界条件（Dirichlet 边界条件）：给定物体表面的温度随时间变化，这类边界条件主要用于恒温热源或热汇。 （2）第二类边界条件（Neumann 边界条件）：给定物体表面的热通量随时间变化，这类边界条件主要用于考虑物体表面与环境之间的热交换。
（3）第三类边界条件（Robin 边界条件）：给定物体表面的对流换热系数和温差，这类边界条件主要用于考虑物体表面与流体之间的对流换热。
4.Flotherm 边界条件的设置方法
在 Flotherm 中设置边界条件较为简单，以下是设置边界条件的一般步骤：
（1）创建模型：首先需要创建一个模型，包括需要求解的热传导问题中的物体表面。
（2）选择边界条件：根据实际问题，选择合适的边界条件类型（如
Dirichlet、Neumann 或 Robin 边界条件）。
（3）设置边界条件参数：根据所选边界条件类型，设置相应的边界条件参数，如温度、热通量或对流换热系数等。
— 1 — 1. 引言
随着电子设备向高集成度方向发展,系统的热功率密度越来越大，因此热设计技术在电子设备中显得越来越重要。目前公司主要采用Flotherm商业热分析软件进行系统级、板级的热分析。热分析过程主要分为建造模型、为模型添加物性、网格划分、求解与后处理几个过程。在热分析的过程当中,准确的建造模型、添加物性固然重要，它将直接影响到结果的准确性，然而网格划分对于初学者来说也很重要，劣质的网格可能会导致求解发散，甚至会导致得到错误的结果。所有的错误都会体现在残差曲线中，本文主要讲述各种有问题的残差曲线,并详细讲述处理的方法。
2. Flotherm软件默认求解收敛设置
Flotherm软件实际上是采用Patankar与Spalding1972年提出的在计算流体力学及计算传热学中得到了广泛应用的SIMPLE算法来迭代求解一组由Navier-Stokes方程导出的耦合偏微分非线性方程，这种迭代自然伴随着收敛的相关判定与设置问题。Flotherm终止标准是基于系统的质量、动量和能量三个方面来设定的：
• 质量平衡(压力场残差）
– 终止标准= 0.005 M (kg/s）
– 强迫对流: M = Total Inlet or Outlet Flow Rate
– 自然对流: M = 。EFCV.A
: Air density
EFCV： Estimated Free Convection Velocity
A： Area perpendicular to the vertical
• 动量平衡 (速度场残差）
– 终止标准= 0.005 MV （N）
– 强迫对流： V = Fan or Fixed Flow maximum velocity
– 自然对流: V = EFCV
• 能量平衡(温度场残差)
– 终止标准 = 0。005 Q （W）
– 如果在系统中有热源或热沉：
