基于FloTHERM的抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)熱仿真

鄧道杰++陳奎

摘要：抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)由于其特殊的工作環(huán)境，導(dǎo)致其溫升成為影響其可靠性的關(guān)鍵。因此，對(duì)計(jì)算機(jī)的熱分析十分必要。該文首先介紹了熱分析的原理；其次在FloTHERM建立了機(jī)箱的熱仿真模型，并從幾何建模、參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分、仿真求解、后處理五個(gè)方面對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)闡述；最后給出了機(jī)箱的溫度場(chǎng)分布，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：FloTHERM；機(jī)箱；熱分析；溫度場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）07-0229-03

Thermal Simulation of Rugged Computer Based on FloTHERM

DENG Dao-jie， CHEN Kui

Abstract： Due to the special environment of rugged computer， the temperature raise becomes the key factor of its reliability. So it is necessary to make the thermal analysis. In this paper， at first， the principle of thermal analysis is introduced. Then， the thermal model is built in FloTHERM， and the process of simulation is introduced detailedly， that is， geometric modeling， parameters setting， meshing， solve and post-processing. Finally， the temperature field of the chassis are given， and the simulation results are analyzed.

Key words： FloTHERM； chassis； thermal analysis； temperature field

抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)由于使用環(huán)境復(fù)雜以及電磁兼容設(shè)計(jì)的需要，采用了全密封結(jié)構(gòu)[1]，該結(jié)構(gòu)下，機(jī)箱內(nèi)部部件熱傳遞性能較差，因此溫升問(wèn)題不容忽視。當(dāng)前，熱失效已經(jīng)成為電子設(shè)備的主要失效形式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效有55%是溫度超過(guò)允許值而引起的。隨著電子設(shè)備工藝幾何尺寸日益縮小，電路系統(tǒng)復(fù)雜度增高，電子設(shè)備熱流密度日趨增加，過(guò)高的溫升必將嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品工作可靠性。如何通過(guò)熱設(shè)計(jì)使電子器件在所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行要求的最高溫度，以保證產(chǎn)品正常運(yùn)行的安全性，長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性成為電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而熱分析則是熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

目前，熱分析的方法主要有仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩種。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初級(jí)階段則較多采用仿真計(jì)算的方法，從而有效縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本[2]。熱分析的仿真計(jì)算方法主要有兩種：解析計(jì)算和數(shù)值計(jì)算。解析計(jì)算主要是通過(guò)將各物理對(duì)象簡(jiǎn)化成不同大小的熱阻，建立集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行計(jì)算；數(shù)值計(jì)算則主要是依靠各類(lèi)CFD仿真軟件進(jìn)行計(jì)算。其中，前者雖然所需時(shí)間短，由于對(duì)各物理對(duì)象進(jìn)行了簡(jiǎn)化，因此精度較低；而后者則可以在保證精度的前提下，通過(guò)合理的網(wǎng)格劃分，有效地縮短仿真時(shí)間。本文將利用FloTHERM進(jìn)行機(jī)箱的熱仿真分析。

FloTHERM軟件是專(zhuān)業(yè)的電子散熱領(lǐng)域CFD仿真軟件，著重于解決電子設(shè)備散熱的實(shí)際工程應(yīng)用問(wèn)題，可以解決從元件級(jí)、封裝級(jí)、模塊級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的熱分析問(wèn)題[3]。FloTHERM包含用戶(hù)熱分析所需要考慮的各種物理量，例如熱對(duì)流（包括自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流以及混合對(duì)流）、熱傳導(dǎo)、熱輻射、層流、湍流等。能較為準(zhǔn)確的反應(yīng)物理模型的溫度分布情況。方便產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期對(duì)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)，提高產(chǎn)品的可靠性。

1 熱仿真原理

1.1 熱仿真理論基礎(chǔ)

能量守恒、動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒是熱分析的基礎(chǔ)[4]，其理論方程為：

式中：T1、T2分別為物體1和物體2表面的絕對(duì)溫度；ε1、ε2分別為物體1和物體2的表面黑度；εxt為系統(tǒng)黑度；A為物體輻射換熱表面積；F12為兩物體表面的角系數(shù)。

2 基于FloTHERM的熱仿真

FloTHERM的熱仿真過(guò)程主要包括建立模型，仿真計(jì)算以及結(jié)果后處理三個(gè)部分。建立模型主要是對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化，物理性質(zhì)進(jìn)行設(shè)置的過(guò)程；仿真計(jì)算主要是在建模過(guò)程設(shè)置的邊界條件下，由計(jì)算機(jī)完成對(duì)模型的輔助計(jì)算；后處理主要是對(duì)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行圖表化處理，使結(jié)果更形象具體。其仿真的具體過(guò)程如圖1所示。

圖1 FlotTHERM仿真流程圖

2.1 建立幾何模型

建立幾何模型主要是利用軟件建立計(jì)算機(jī)機(jī)箱中的各種元器件的熱模型，并根據(jù)元器件的外形、功率以及材料屬性等定義器件特性。例如機(jī)箱內(nèi)部的PCB板、供電電源模塊以及散熱冷板等等。

利用FloTHERM提供的模型庫(kù)，參考各元器件的幾何尺寸和功耗參數(shù)，可以迅速的建立各元器件的熱仿真模型。其中，PCB模型可以通過(guò)FloTHERM軟件提供的FloEDA.Bridge接口與EDA （Electronic Design Automation）工具連接，直接導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)。這樣建立的PCB模型包含電路板各器件大小、器件布局、布線信息、所有層信息、過(guò)孔信息等，從而大幅度地提高PCB溫度仿真計(jì)算精度等。建立的幾何模型如圖2所示，機(jī)箱內(nèi)共裝有5塊PCB組裝件，機(jī)箱上下壁為冷板，忽略導(dǎo)軌、前面板及鎖緊裝置等。其中，機(jī)箱尺寸為3/4ATR（190.5mm*315mm*194mm），PCB組件尺寸為（160mm*280mm*20mm）。

2.2 設(shè)置仿真參數(shù)

FloTHERM中設(shè)置湍流模型為自動(dòng)代數(shù)湍流模型，對(duì)于大多數(shù)電子散熱問(wèn)題該模型已經(jīng)足夠精確并且經(jīng)濟(jì)。設(shè)置建模參數(shù)為流動(dòng)和傳熱計(jì)算，并設(shè)置為基于三維模型進(jìn)行機(jī)箱的穩(wěn)態(tài)計(jì)算。本分析基于自然對(duì)流換熱，必須對(duì)重力方向進(jìn)行定義，定義缺省的重力作用方向?yàn)閅 軸負(fù)方向。設(shè)置環(huán)境溫度30℃，壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。傳熱學(xué)里面關(guān)于空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)的取值范圍在1～10W /m2﹒K ，設(shè)置換熱系數(shù)為 5W /m2﹒K 。對(duì)于自然對(duì)流情況，熱空氣向上流動(dòng)，即系統(tǒng)對(duì)其上方的區(qū)域影響將大于對(duì)其下方區(qū)域影響。此外，PCB組裝件總功耗約70W，其中主要功耗集中在電源及CPU模塊，約占總功耗的60%。在定義求解域的尺寸時(shí)，設(shè)置求解域在重力反方向上為系統(tǒng)尺寸的兩倍，其他方向放大的尺寸則同系統(tǒng)的大小相等。其余參數(shù)采用缺省設(shè)置。

2.3 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是對(duì)象進(jìn)行熱仿真分析的關(guān)鍵。一般情況下，網(wǎng)格劃分越細(xì)仿真計(jì)算的結(jié)果越準(zhǔn)確，但網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度嚴(yán)重影響著計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，因此，如何根據(jù)物理對(duì)象的幾何尺寸進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分是問(wèn)題求解的關(guān)鍵。FloTHERM 采用正交網(wǎng)格技術(shù)，提供先進(jìn)的非連續(xù)嵌入式網(wǎng)格和Cut Cell網(wǎng)格切割技術(shù)在需要時(shí)進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格，能將求解時(shí)間縮至最短。FloTHERM中生成網(wǎng)格流程如圖3所示。為較為準(zhǔn)確度的獲取仿真流場(chǎng)的物理特征，網(wǎng)格劃分應(yīng)遵守以下原則：1）所關(guān)心的對(duì)象和形狀較為復(fù)雜的個(gè)體需要進(jìn)行局部加密，從而有效減少實(shí)體以外的網(wǎng)格數(shù)，增大網(wǎng)格縱橫比，有利于提高求解對(duì)象的各節(jié)點(diǎn)數(shù)值解的準(zhǔn)確度；2）針對(duì)溫度梯度較大的部分采用較密的網(wǎng)格，相應(yīng)的，較小的地方采用較粗的網(wǎng)格。綜上所述，根據(jù)具體情況相應(yīng)的調(diào)節(jié)求解對(duì)象的網(wǎng)格劃分密度，從而縮短分析時(shí)間，提高求解精度是十分必要的。

2.4 求解

啟動(dòng)仿真計(jì)算。隨著求解器迭代運(yùn)算，概要文件窗口（Profiles Window）提供求解過(guò)程反饋以及報(bào)告在模型的特定區(qū)域的變量值。FloTHERM 能實(shí)時(shí)觀察數(shù)值計(jì)算中預(yù)先設(shè)置的監(jiān)控點(diǎn)溫度、速度、壓力等量的圖形化收斂曲線，如圖5所示。設(shè)置迭代次數(shù)為500次，圖5中，橫軸代表迭代次數(shù)，縱軸代表殘差，可以看到，經(jīng)過(guò)求解器迭代計(jì)算，殘差曲線達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，散熱系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖5 FloTHERM殘差曲線

2.5 后處理

FloTHERM 提供先進(jìn)的仿真結(jié)果后處理模塊：可以觀察FloTHERM 軟件的模型、尺寸和參數(shù)以及各種分析結(jié)果（包括溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、壓力場(chǎng)的截面云圖、等溫/等壓面、動(dòng)態(tài)氣體/液體粒子流等），對(duì)比各種設(shè)計(jì)方案結(jié)果、自動(dòng)生成分析報(bào)告。對(duì)于實(shí)際換熱問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)FloTHERM熱仿真建模的前提是獲取其物理模型參數(shù)，例如模型外形尺寸、關(guān)鍵器件尺寸、材料屬性、接觸熱阻、熱耗分布等。

3 仿真結(jié)果及分析

通過(guò)上述仿真，得到的ATR機(jī)箱的溫度分布云圖如圖6所示，由圖可知，環(huán)境溫度為30oC時(shí)機(jī)箱的最高溫度為88.3oC，位于電源模塊的電源轉(zhuǎn)換芯片處，最低溫度為32oC位于機(jī)箱上壁冷板，機(jī)箱溫度低于關(guān)鍵器件允許最高工作溫度150oC。熱仿真結(jié)果與實(shí)際發(fā)熱結(jié)果基本一致，主要差別是由于仿真中邊界條件設(shè)置的過(guò)于簡(jiǎn)單及建模忽略過(guò)多細(xì)節(jié)所導(dǎo)致的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于FloTHERM的抗惡劣計(jì)算機(jī)的熱仿真分析，給出了熱分析的具體過(guò)程，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。通過(guò)利用CFD軟件對(duì)抗惡劣計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，不僅有效地避免了傳統(tǒng)方法中由于經(jīng)驗(yàn)不足以及數(shù)據(jù)不充分所導(dǎo)致的誤差，而且更加準(zhǔn)確直觀的了解設(shè)備的溫升情況以及散熱能力，對(duì)于后期的熱設(shè)計(jì)與優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)，對(duì)于提高元器件的使用可靠性，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間上都具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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