Flotherm高級培訓:其它使用技巧(Tips and Tricks)
Flomerics中國代表處
熱仿真http://www.refangzhen.com 60min
熱仿真的理論
控制方程
通稱為Navier-Stokes 方程
包括質量動量能量三個守恒方程
Navier-Stokes方程：
質量守恒方程：動量守恒方程：能量守恒方程：
有限體積法Vs有限元法
有限體積法：從描述流體運動和傳熱的守恒型控制方程著手，通過對
控制體積作積分計算進行求解。為目前CFD計算運用最普遍的一種方法。
有限體積法
物理意義明確,物理學家的方法
通過控制每個網格(有限體積)的物理量守恒來進行求解;
方法為守恒型的方法,可保證能量動量質量的守恒
方法可靠,魯捧性(ROBUST)強,適用于涉及流動的熱流仿真
占有內存少,求解速度快
進行熱流求解時一般全面考慮傳導對流和輻射
適合于使用結構化網格
有限元法
物理意義不明確,數學家的方法 通過變分方法建立起聯系各個單元(點)的方程進行數值解算
方法的離散方式不能保證守恒,并非守恒型方法
在求解高度非線性方程如自然對流問題時,可能會有收斂的問題,求解魯棒性(ROBUST)差
不適合作流動計算,進行熱流求解時一般簡化考慮對流和輻射
占有內存多,求解速度慢
適合采用非結構化網格
有限體積法的SIMPLE算法 計算流程
求解域的設定
求解域大小設定
機箱壁面向外的對流換熱必需通過放大求解域來確定
自然對流密閉系統
強迫冷卻
機箱壁面向外的對流換熱可簡單通過設定一表面換熱系數來確定如估計95%以上的功耗為風扇的冷卻風帶走，可稱之為強迫對流，否則依自然對流設定方法
求解域的設定-Cutout的使用
Cutouts 可使用于:
–求解域內任何區域,包括與求解域相領區域
–求解域外,只要有一個面與求解域相領或者部位在求解域內
通過求解域定義的邊界條件,如與Ambient或Global中設定的邊界條件沖突,則無論如何Cutout的優先級要高
輻射的設定
什么時候需要計算輻射：
自然對流、密閉系統、外太空等輻射換熱量較大的情況熱輻射光譜 可見光區: = 0.38-0.76 m
熱輻射波段: = 0.1-100 m
(發射率)吸收率的波段選擇性
物體表面在不同光譜波段具有不同的吸收率
太陽輻射能量集中在紫外7%可見50%紅外43%;
普通輻射主要集中在紅外區
太陽輻射的吸收率α≠紅外輻射的吸收率ε
輻射計算基本理論
輻射交換系數Fi,j：從一個表面i輻射出來的能量直接投射或經其它表面一次反射／多次反射最終為表面j吸收的份額；
角系數Fi,j：從一個表面i輻射出來的能量下直接投射到其它表面的份額；
計算輻射交換系數的Monte-Carlo法
原理:將某表面通過輻射傳遞出去的能量分為若干隨機發射的能量束,最后統計各個表面接收這些能量束的數目.
發射:隨機方向發射;
吸收:根據吸收率隨機吸收;
反射:隨機方向反射
FLOTHERM輻射交換計算的精度
普通精度的輻射計算:
輻射交換系數的計算精度控制在5%以內;
高精度的輻射計算:
輻射交換系數的計算精度控制在1%以內,相對而言,計算時間為普通精度輻射計算的四倍左右;
輻射交換系數絕對滿足歸一性Debug.pts
將附帶Debug.pts文件放入項目文件夾/DataSets/BaseSolution/PDTemp下,重新計算
輻射交換系數,便可在/DataSets/BaseSolution/Exchange 下觀察到viewf.log
各表面參與輻射計算的方式
各個表面都可以控制是否參與輻射計算
該面不參與輻射計算
該面視同一點進行輻射計算
該面細分為多個小平面進行輻射計算
進行輻射仿真的三步驟
1.打開輻射計算開關Radiation on；
2.對各表面添加Radiation屬性；
3.定義各表面黑度Emissivity；
如何在FLOTHERM軟件中定義外太空計算環境
1)設置計算類型：消除對流的作用；
2)消除流體的熱傳導作用；
3)進行輻射計算設置；
將FLOTHERM軟件中的默認的流體熱傳導系數設為1e-10至1e-15W/mK
菜單->Model->Modeling 右鍵點擊參與輻射物體->Radiation
右鍵點擊參與輻射物體->surface或者編輯Material屬性中surface name項
Flotherm太陽輻射的定義
FLOTHERM跟據物體的朝向、所處緯度、工作日期與工作時間進行太陽輻射天頂角和周向角的計算；
太陽輻射的強度可以指定；
分別考慮了太陽輻射的吸收率α與紅外輻射的吸收率ε
透明表面：吸收？反射？透射？
自動計算太陽方位角和輻射強度 打開Solar radiation面板
設備的朝向
設備的緯度
工作日期
工作時辰
云遮擋比例
太陽常數:1353W/m2
Flotherm多網格求解器(Multi-grid solver)
1)多網格求解技術只加快溫度項的收斂速度;
2)多網格求解器與普通求解器(Segregated Conjugated Residual
Solver)得到的收斂解同樣可靠;
3)極少極少數情況下,多網格求解器會造成收斂困難;
4)多網格技術也可以稱著一種全面的塊修正(Block Correction)技
術,因此在FLOTHERM軟件中,如應用多網格求解器,就不會使用塊
修正技術
風扇的建模-Swirl的建模
軸流風扇的Swirl
–為風扇工作點的一個函數
–在以下情況需要格外考慮:
–風扇工作點較高,出風壓力較大
–器件排布不規則,尤其是斜置時
–關鍵器件離風扇較近時
Swirl 可能會很重要 (高風壓處)
Swirl 可能不太重要 (低風壓處)
風扇的建模-Swirl的建模
兩種Swirl形式
–Constant Speed
–不管風扇工作點,恒定風扇的轉速
–好好觀察一下風扇的廠家數據,可能會有提示
–用戶指定風扇的轉速
–Flow Dependent Speed
–風扇轉速為風扇工作點的函數
–通常在很多情況下會比較準確
–輸入的轉速一般為風扇的最大轉速(指定電壓下)
風扇的并聯和串聯
風扇的失效分效
不直接考慮風扇失效后扇片的阻尼作用
風扇的特性
基本的風扇定律
風扇轉速發生改變時空風密度發生改變時
流量CFM2 = CFM1(RPM2/RPM1) CFM2 = CFM1 (density2/density1)
壓頭P2 =P1 (RPM2/RPM1)2 P2 = P1 (density2/density1)
功耗HP2 = HP1 (RPM2/RPM1)3 HP2 = HP1 (density2/density1)
噪聲N2 = N1 + 50 log10 N2 = N1 + 20 log10
(RPM2/RPM1) (density2/density1)
電壓與功耗的關系
–Power = V I
–(V1I1)/ (ΔP1G1) = (V2I2)/ (ΔP2G2)
離心風扇的建模
在FLOTHERM V6.1中，采用Recirculation
Device進行離心風扇的建模
在drawing board中建立離心風機
User support區域的風扇建模方法
Flotherm離心風機建模示例
離心風扇的效率
效率=:不均勻出風消耗能量/均勻出風消耗能量
熱管的設定Heat Pipe
V6.1以下版本:采用一高熱傳導系數的立方塊(k=20000W/mK)代替
V7.1專門的熱管模型
阻尼與打孔板的設定
兩種阻尼計算模型:
–Standard
–Advanced
Standard resistance formula:
–假設Δ p α v2
–恒定的壓力損失系數f
Advanced resistance formula:
–假設Δ p α vn
–壓力損失系數f 為與Re相關函數
–f = a/Re + b/Reα
采用Standard 阻尼公式得到壓力損失系數f
v為接近速度(Approach Velocity)
采用Advance 阻尼公式得到壓力損失系數f
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常見的壓力損失系數
基于接近速度approach velocity 下的壓力損失系數為: 0 < fd < ~1,000
基于穿越速度device velocity下的壓力損失系數為is: 0 < fd < ~3
對于圓孔或絲網等流體流入流出變化較平緩： fd~1.0 (基于穿越速度device velocity).
對于流體流入流出變化較劇烈的孔板： 1.0<fd<2.0 (基于穿越速度device velocity).
常見的壓力損失系數
注fd/fa=b2
fd= 基于穿越速度device velocity的壓力損失系數
fa=基于接近速度approach velocity的壓力損失系數
b= 開孔比率
Swirl設置＋平面阻尼的產生問題
在流體流動速度方面帶有一點角度時，盡量使用體積阻尼
風扇Swirl的影響 平面阻尼或是體積阻尼
Flotherm并行處理
普通計算中的并行處理Menu PM Edit/Preference
并行處理需要并行處理的License
優化計算中的采用多個License進行計算
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優化計算中的并行處理Menu CC Edit/Solver Configuration
優化計算中的網絡并行處理Menu CC Edit/Solver Configuration
網絡并行處理詳細設置見HELP
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