基于FloTHERM的抗恶劣环境计算机热仿真

邓道杰++陈奎

摘要：抗恶劣环境计算机由于其特殊的工作环境，导致其温升成为影响其可靠性的关键。因此，对计算机的热分析十分必要。该文首先介绍了热分析的原理；其次在FloTHERM建立了机箱的热仿真模型，并从几何建模、参数设置、网格划分、仿真求解、后处理五个方面对仿真过程进行了详细阐述；最后给出了机箱的温度场分布，并对结果进行了分析。

关键词：FloTHERM；机箱；热分析；温度场

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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

抗恶劣环境计算机由于使用环境复杂以及电磁兼容设计的需要，采用了全密封结构[1]，该结构下，机箱内部部件热传递性能较差，因此温升问题不容忽视。当前，热失效已经成为电子设备的主要失效形式之一。据统计，电子设备的失效有55%是温度超过允许值而引起的。随着电子设备工艺几何尺寸日益缩小，电路系统复杂度增高，电子设备热流密度日趋增加，过高的温升必将严重影响电子产品工作可靠性。如何通过热设计使电子器件在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性成为电子设备可靠性设计中不可忽略的一个重要环节，而热分析则是热设计的基础。

目前，热分析的方法主要有仿真计算和实验测试两种。在产品设计的初级阶段则较多采用仿真计算的方法，从而有效缩短开发周期，降低成本[2]。热分析的仿真计算方法主要有两种：解析计算和数值计算。解析计算主要是通过将各物理对象简化成不同大小的热阻，建立集总参数热网络模型进行计算；数值计算则主要是依靠各类CFD仿真软件进行计算。其中，前者虽然所需时间短，由于对各物理对象进行了简化，因此精度较低；而后者则可以在保证精度的前提下，通过合理的网格划分，有效地缩短仿真时间。本文将利用FloTHERM进行机箱的热仿真分析。

FloTHERM软件是专业的电子散热领域CFD仿真软件，着重于解决电子设备散热的实际工程应用问题，可以解决从元件级、封装级、模块级到系统级的热分析问题[3]。FloTHERM包含用户热分析所需要考虑的各种物理量，例如热对流（包括自然对流、强制对流以及混合对流）、热传导、热辐射、层流、湍流等。能较为准确的反应物理模型的温度分布情况。方便产品设计初期对热设计进行优化、改进，提高产品的可靠性。

1 热仿真原理

1.1 热仿真理论基础

能量守恒、动量守恒、质量守恒是热分析的基础[4]，其理论方程为：

式中：T1、T2分别为物体1和物体2表面的绝对温度；ε1、ε2分别为物体1和物体2的表面黑度；εxt为系统黑度；A为物体辐射换热表面积；F12为两物体表面的角系数。

2 基于FloTHERM的热仿真

FloTHERM的热仿真过程主要包括建立模型，仿真计算以及结果后处理三个部分。建立模型主要是对分析对象进行简化，物理性质进行设置的过程；仿真计算主要是在建模过程设置的边界条件下，由计算机完成对模型的辅助计算；后处理主要是对仿真计算的结果进行图表化处理，使结果更形象具体。其仿真的具体过程如图1所示。

图1 FlotTHERM仿真流程图

2.1 建立几何模型

建立几何模型主要是利用软件建立计算机机箱中的各种元器件的热模型，并根据元器件的外形、功率以及材料属性等定义器件特性。例如机箱内部的PCB板、供电电源模块以及散热冷板等等。

利用FloTHERM提供的模型库，参考各元器件的几何尺寸和功耗参数，可以迅速的建立各元器件的热仿真模型。其中，PCB模型可以通过FloTHERM软件提供的FloEDA.Bridge接口与EDA （Electronic Design Automation）工具连接，直接导入实现。这样建立的PCB模型包含电路板各器件大小、器件布局、布线信息、所有层信息、过孔信息等，从而大幅度地提高PCB温度仿真计算精度等。建立的几何模型如图2所示，机箱内共装有5块PCB组装件，机箱上下壁为冷板，忽略导轨、前面板及锁紧装置等。其中，机箱尺寸为3/4ATR（190.5mm*315mm*194mm），PCB组件尺寸为（160mm*280mm*20mm）。

2.2 设置仿真参数

FloTHERM中设置湍流模型为自动代数湍流模型，对于大多数电子散热问题该模型已经足够精确并且经济。设置建模参数为流动和传热计算，并设置为基于三维模型进行机箱的稳态计算。本分析基于自然对流换热，必须对重力方向进行定义，定义缺省的重力作用方向为Y 轴负方向。设置环境温度30℃，压强为标准大气压。传热学里面关于空气自然对流换热系数的取值范围在1～10W /m2﹒K ，设置换热系数为 5W /m2﹒K 。对于自然对流情况，热空气向上流动，即系统对其上方的区域影响将大于对其下方区域影响。此外，PCB组装件总功耗约70W，其中主要功耗集中在电源及CPU模块，约占总功耗的60%。在定义求解域的尺寸时，设置求解域在重力反方向上为系统尺寸的两倍，其他方向放大的尺寸则同系统的大小相等。其余参数采用缺省设置。

2.3 划分网格

网格划分是对象进行热仿真分析的关键。一般情况下，网格划分越细仿真计算的结果越准确，但网格划分的精细程度严重影响着计算机的运行速度，因此，如何根据物理对象的几何尺寸进行合理的网格划分是问题求解的关键。FloTHERM 采用正交网格技术，提供先进的非连续嵌入式网格和Cut Cell网格切割技术在需要时进一步细化网格，能将求解时间缩至最短。FloTHERM中生成网格流程如图3所示。为较为准确度的获取仿真流场的物理特征，网格划分应遵守以下原则：1）所关心的对象和形状较为复杂的个体需要进行局部加密，从而有效减少实体以外的网格数，增大网格纵横比，有利于提高求解对象的各节点数值解的准确度；2）针对温度梯度较大的部分采用较密的网格，相应的，较小的地方采用较粗的网格。综上所述，根据具体情况相应的调节求解对象的网格划分密度，从而缩短分析时间，提高求解精度是十分必要的。

2.4 求解

启动仿真计算。随着求解器迭代运算，概要文件窗口（Profiles Window）提供求解过程反馈以及报告在模型的特定区域的变量值。FloTHERM 能实时观察数值计算中预先设置的监控点温度、速度、压力等量的图形化收敛曲线，如图5所示。设置迭代次数为500次，图5中，横轴代表迭代次数，纵轴代表残差，可以看到，经过求解器迭代计算，残差曲线达到收敛标准，散热系统稳定。

图5 FloTHERM残差曲线

2.5 后处理

FloTHERM 提供先进的仿真结果后处理模块：可以观察FloTHERM 软件的模型、尺寸和参数以及各种分析结果（包括温度场、流场、压力场的截面云图、等温/等压面、动态气体/液体粒子流等），对比各种设计方案结果、自动生成分析报告。对于实际换热问题，实现FloTHERM热仿真建模的前提是获取其物理模型参数，例如模型外形尺寸、关键器件尺寸、材料属性、接触热阻、热耗分布等。

3 仿真结果及分析

通过上述仿真，得到的ATR机箱的温度分布云图如图6所示，由图可知，环境温度为30oC时机箱的最高温度为88.3oC，位于电源模块的电源转换芯片处，最低温度为32oC位于机箱上壁冷板，机箱温度低于关键器件允许最高工作温度150oC。热仿真结果与实际发热结果基本一致，主要差别是由于仿真中边界条件设置的过于简单及建模忽略过多细节所导致的。

4 结束语

本文介绍了基于FloTHERM的抗恶劣计算机的热仿真分析，给出了热分析的具体过程，并对仿真结果进行了分析。通过利用CFD软件对抗恶劣计算机进行仿真，不仅有效地避免了传统方法中由于经验不足以及数据不充分所导致的误差，而且更加准确直观的了解设备的温升情况以及散热能力，对于后期的热设计与优化奠定了基础，同时，对于提高元器件的使用可靠性，缩短产品的开发时间上都具有重要意义。

参考文献：

[1] 罗先培， 卢锡铭， 简继红. 高功耗抗恶劣环境计算机散热研究[J]. 机电产品开发与创新， 2011， 24（5）： 47-49.

[2] 曲行柱. Flotherm软件在电子元器件系统热设计中的应用[J]. 电子元件与材料， 2014（10）.

[3] 嵌入式计算机系统热分析及热优化研究[D]. 西安： 电子科技大学， 2007.

[4] 龙天渝. 计算流体力学[M]. 重庆： 重庆大学出版社， 2007.

[5] 程尚模. 传热学[M]. 北京： 高等教育出版社， 1990.