Flotherm軟件求解收斂常見問題及處理方法

1、.引言隨著電子設(shè)備向高集成度方向發(fā)展，系統(tǒng)的熱功率密度越來越大，因此熱設(shè)計(jì)技術(shù)在電子設(shè)備中顯得越來越重要。目前公司主要采用Flotherm商業(yè)熱分析軟件進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)、板級(jí)的熱分析。熱分析過程主要分為建造模型、為模型添加物性、網(wǎng)格劃分、求解與后處理幾個(gè)過程。在熱分析的過程當(dāng)中，準(zhǔn)確 的建造模型、添加物性固然重要，它將直接影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性，然而網(wǎng)格劃分對(duì)于初學(xué)者來說也很重要，劣質(zhì)的網(wǎng)格可能會(huì)導(dǎo)致求解發(fā)散，甚至?xí)?dǎo)致得到錯(cuò)誤的結(jié)果。所有的錯(cuò)誤都會(huì)體現(xiàn)在殘差曲線中，本文主要講述各種有問題的殘差曲線，并詳細(xì)講述處理的方法。. Flotherm軟件默認(rèn)求解收斂設(shè)置Flotherm軟件實(shí)際上是采用Patan

2、kar與Spalding1972年提出的在計(jì)算流體力學(xué)及計(jì)算傳熱學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用的 SIMPLE算法來迭代求解一組由 Navier-Stokes 方程導(dǎo)出的耦合偏微分非線性方程 這種迭代自然伴隨著收斂的相關(guān)判定與設(shè)置問題。Flotherm終止標(biāo)準(zhǔn)是基于系統(tǒng)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量三個(gè)方面來設(shè)定的：?質(zhì)量平衡（壓力場(chǎng)殘差）-終止標(biāo)準(zhǔn)=0.005 M （kg/s）強(qiáng)迫對(duì)流：M= Total Inlet or Outlet Flow Rate自然對(duì)流：M=.:Air densityEFCVEstimated Free Convection VelocityA: Area perpendicular to

3、 the vertical? 動(dòng)量平衡（速度場(chǎng)殘差）-終止標(biāo)準(zhǔn)=MV （N）強(qiáng)迫對(duì)流：V = Fan or Fixed Flow maximum velocity自然對(duì)流：V = EFCV能量平衡（溫度場(chǎng)殘差）-終止標(biāo)準(zhǔn)=Q (W)如果在系統(tǒng)中有熱源或熱沉Q= Total Heat Sources or Sinks如果系統(tǒng)中無熱源或熱沉：Q= M Cp Ttyp Ttyp = 20 C.常見殘差曲線分類在利用Flotherm進(jìn)行求解中，我們直觀的判斷求解是否收斂的依據(jù)則是依靠殘差曲線，通過殘差曲線我們可以了解求解是發(fā)散、振蕩還是收斂,如下圖所示。圖一：殘差曲線1）對(duì)于大多數(shù)殘差曲線收斂且監(jiān)控點(diǎn)

4、溫度穩(wěn)定的情況下，我們可以認(rèn)為得到了穩(wěn)定正確的數(shù)值 解，當(dāng)然有時(shí)也會(huì)由于溫度梯度較大的位置網(wǎng)格數(shù)量不足 或者兩種不同的物體劃分到同一網(wǎng)格 得到具有 較大誤差的結(jié)果。5x4x1mm的QFN芯片，仿真采用的是這里以仿真中遇到的某元件為例進(jìn)行說明。元件是尺寸為component簡(jiǎn)化模型。在單板中共有 3個(gè)該元件，其中，A-1和A-3功耗為，A -2的功耗為。首先在不加網(wǎng)格約束時(shí)，由于該元件較小，軟件默認(rèn)只在 X方向劃分了一個(gè)網(wǎng)格， 在Y方向也只有3個(gè)網(wǎng)格，如圖二a）所示；后面對(duì)該元件施加了至少劃分5個(gè)網(wǎng)格的約束，并在其膨脹尺寸為10%勺范圍內(nèi)施加最少2個(gè)網(wǎng)格的約束，劃出的網(wǎng)格如圖b）所示。圖二a ）

5、:不加網(wǎng)格約束時(shí) A元件的網(wǎng)格）施加網(wǎng)格約束時(shí) A元件的網(wǎng)格b兩種不同的網(wǎng)格劃分計(jì)算得到的結(jié)果如表一所示,其中A-1和A-3兩元件溫度分別相差度和度;A-2元件的溫度則相差度。由此可見元件網(wǎng)格劃分不足時(shí),計(jì)算所得到的結(jié)果會(huì)遠(yuǎn)大于實(shí)際元件的溫度功耗越大時(shí)，這種溫度差就會(huì)越大。由此可以得出結(jié)論,仿真過程中對(duì)于尺寸較小而有功耗的元件關(guān)注元件上的網(wǎng)格劃分， 一般情況下應(yīng) 在各個(gè)方向保持5個(gè)以上的網(wǎng)格，必要時(shí)需對(duì)元件添加局部網(wǎng)格約束。元件的熱流密度越大，元件對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)越多元件A-1A-2A-3未加網(wǎng)格約束施加網(wǎng)格約束后表一：不同網(wǎng)格劃分下單板上3個(gè)A元件的溫度對(duì)比圖三：未加網(wǎng)格約束時(shí)元件的溫度圖圖

6、四：添加網(wǎng)格約束后元件的溫度圖另外，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，如果將兩種不同的物體劃分到同一網(wǎng)格內(nèi)，比如將空氣和芯片的一部分劃分到同一網(wǎng)格內(nèi)，得到的結(jié)果就可能與實(shí)際結(jié)果有一定的差異。在對(duì)散熱片建模時(shí)，同樣需要關(guān)注網(wǎng)格，為了更好的描述散熱片的流體邊界層、熱邊界層的變化，一般在散熱片兩齒之間至少應(yīng)保持 3個(gè)以上的網(wǎng)格。2）對(duì)于高低位穩(wěn)定、震蕩的問題，可以通過 調(diào)整虛擬時(shí)間步長(zhǎng) F False time step ）, False time step 在 Solve Variable Control中進(jìn)行設(shè)置，如下圖所示。殘差曲線處于10到50之間高 位震蕩時(shí)，需要減小False time Step即增加阻

7、尼，減少每?jī)刹降牟钪?；?dāng)殘差曲線 處于10到50之間高位穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)當(dāng)適 當(dāng)增加False time Step即減小阻尼，增大每?jī)刹街g迭代的差值。需要指出的是：調(diào)整虛擬時(shí)間步長(zhǎng)是處理高位穩(wěn)定和高位震 蕩問題的一個(gè)手段，但并不是所有的高位穩(wěn)定和高位震蕩問題都可以通過調(diào)整虛擬時(shí)間步長(zhǎng)解決的。Pro eel E# View GecnwlrjiResuJts WindowQveralContid.*口砧跖 Ccntrd.jojvor ConArol.3）對(duì)于發(fā)散問題，首先檢查在建造在密閉系統(tǒng)中裝有離心風(fēng)扇或進(jìn)入系統(tǒng)Se-inicialis：日 uiEidjg二 and Soke弓 a lily C

8、heckj二卜門好與.模型過程中是否產(chǎn)生了錯(cuò)誤，比如的熱無法向外傳遞；然后查看網(wǎng)格設(shè)置，查看是否是由于網(wǎng)格不足無法捕獲詳細(xì)信息。對(duì)于發(fā)散問題的重新求解，一定 要重新初始化4）對(duì)于低位穩(wěn)定與低位震蕩問題 ，殘差曲線在10以下，而監(jiān)控點(diǎn)溫度已經(jīng)穩(wěn)定，這時(shí)可以認(rèn)為求解收斂，也可以 使用自動(dòng)收斂設(shè)置Soke/OverallControl。在自動(dòng)收斂設(shè)置中，如下圖所示軟件默認(rèn)設(shè)置的是溫度收斂曲線降到10以下，溫度監(jiān)控點(diǎn)在連續(xù) 30步迭代中保持在度范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，軟件默 認(rèn)求解收斂并停止求解但是在設(shè)置自動(dòng)收斂設(shè)置時(shí)，需要關(guān)注所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度曲線是否趨于平穩(wěn)，為了有效的使用此選項(xiàng)，必須確保需要監(jiān)測(cè)溫度收斂的位

9、置都放置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)?？梢酝ㄟ^調(diào)整精度和迭代步長(zhǎng)，調(diào)整判定監(jiān)測(cè)點(diǎn)收斂的位置。如果溫度是趨于收斂的，如下圖所示的求解結(jié)果沿著某一中心值上下震蕩并最終趨于收斂的情況下圖中給出了軟件接受收斂的位置。此時(shí)軟件接受收斂位置的溫度與計(jì)算真實(shí)值之間的誤差小于Required Accuracy 中設(shè)置的溫度值。但如果迭代的溫度值是以如下圖所示的恒定值在變化時(shí),那么設(shè)置這種自動(dòng)收斂設(shè)置時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定的差異。遇到這種情況時(shí)，需要將自動(dòng)收斂設(shè)置設(shè)置的盡量嚴(yán)格些下面是在計(jì)算某單板的仿真時(shí)遇到殘差曲線。我們可以看到該殘差曲線中很多溫度監(jiān)控點(diǎn)的溫度都是逐漸上升的，而且上升的幅度很小。根據(jù)對(duì)最終計(jì)

10、算結(jié)果的粗略統(tǒng)計(jì)，如果采用軟件默認(rèn)的自動(dòng)收斂設(shè)置，那么軟件會(huì)在655步停止計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和目前得到的結(jié)果相比最大會(huì)相差度。遇到這種情況時(shí),若設(shè)置自動(dòng)收斂設(shè)置時(shí)則需設(shè)置的更嚴(yán)格些。更“fll中工 MflAff IltEMlOHi I日THERM11almIIFllCITH&M1M 出。Ri記南rdEw-hh* | 嬴2M-Tc K2M-te=itZTe 口用 DT E4 n四 DI J Din ni-國(guó)才D-) 皿 D*JQA1-TC XM-TtDl.9 3fi?M-M .皿 班士修、閽,博#3.口口： 資占-m 2QV 制甲 m iwtg qm m 1 wi nil.問題殘差曲線在實(shí)際工程應(yīng)用

11、中，經(jīng)常會(huì)遇到一些有問題的殘差曲線，而每種錯(cuò)誤殘差曲線都有其產(chǎn)生的原因， 只要依照殘差曲線去修改設(shè)置就可以得到符合實(shí)際的結(jié)果。下面結(jié)合實(shí)際仿真應(yīng)用中所遇到的幾個(gè)有問題的殘差曲線舉例說明實(shí)際問題的產(chǎn)生原因與處理方法。1）殘差曲線發(fā)散如下圖所示，殘差曲線在開始求解之后迅速發(fā)散，而溫度監(jiān)控點(diǎn)的曲線也出現(xiàn)了異常。通常來講， 有三種原因可能會(huì)導(dǎo)致殘差曲線發(fā)散，求解不收斂。最常見的原因是由于 系統(tǒng)的模型存在一定的問題， 主要是由于模型不能滿足平衡方程的條件 。如密 閉的系統(tǒng)中 安裝有離心風(fēng)扇導(dǎo)致質(zhì)量方程無法平衡 ；或者將求解域所有邊界設(shè)置為對(duì)稱， 因而系統(tǒng)熱量 無法散出導(dǎo)致能量方程無法平衡 。其次，殘差曲

12、線發(fā)散的原因還可能是 系統(tǒng)的網(wǎng)格存在一定的問題 ，主要是網(wǎng)格 無法捕捉系統(tǒng)中溫度、 壓力、速度方面的信息。比如在CSFC單板的仿真過程中，散熱片是通過對(duì)heatsink 進(jìn)彳d decompose后，軟件自動(dòng)劃分的網(wǎng)格可能會(huì)將散熱片的齒與空氣劃分在同一網(wǎng)格內(nèi)。-|D|x|1 tiiFai iat ir It nr nt mn-I- X1 QEJ1TSC 1Ei+I?EFCit_DIp uWcn.Tk中*5手 H=ILc.b!l-!J riF-3-AilF-卜|曰| =r -r I-1 口曰*-11E-1.口 E一1 fl2D-1 flEJD- igfir1 UE3S-1闡r-1 QE25-I

13、n 一會(huì)nqGaJLL1 OEi-1=1 OE1flr-|FL/THERMTXC_l6il 3EAOG_CaMT&fnpKTN15i1311 禺A JD gunoliuiiTgE p krFH I i19U1 A_D1_ as fflimpkZNl5i5OlA_Dl _DleJuntllarLrtfrpP1M1 后 1HFJ1 A_i?l I q 之盯占血比勺貨671KpM。框ltiMe fehii上口臂幻U日。呢七口則附皿上白IClGljDI_OBiETe mpBCM54G1 jD3_DlAJulK UarlL.T?iP8,北ftppja_Ei&Junciiin_iernffW57事1日內(nèi)口

14、r(Pl_- 5FJ _ PaJun dmr _TimpC95M_C*teTtmpepm：?i nri24_p HjXRuEn*，jBirri PM3?1flF-32i&DB?tT?rrphiTAPC&W 琳口曲“用g.T(M|Drm：E* 口 13社白wsTrmpC?Cl 3fiB= JB r_DekJLinic1nn .Ternpcrrci 3B6E_IJH I _Cai= eTi ilpGTC138ffi_ J0I JPeJjndon_T?npCVTC1 期ftELUEH giETEW一KTN151331 UH VjJ.irdiwn.Tf.nipWHI 19J1 fl_D0 i_C JK

15、siTumpKT N 319J1 A_DQ -DieJur dic*i_TenipKfHl 1 ：3D1 A_t _G*白T電TKiC_(B64 I ?BRCiG_DirJUnDn_TBmpTX.CJ3&U IBPOC_CstteTeiripi，硼的I iElOLUTH ERM此外，軟件的 變量控制對(duì)話框中的設(shè)置也可能會(huì)導(dǎo)致求解得發(fā)散。我們知道Flotherm軟件是迭代求解進(jìn)行計(jì)算的，在軟件的變量控制對(duì)話框中，可以調(diào)節(jié)風(fēng)速、溫度的虛擬時(shí)間步長(zhǎng)，實(shí)際上是調(diào)節(jié)軟件計(jì)算的收斂速度。當(dāng)虛擬時(shí)間步長(zhǎng)調(diào)節(jié)的不合適時(shí)，就可能導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散。典型的案例是溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍繞某一中心值上下波動(dòng)，并且波動(dòng)幅度越來越大最終

16、發(fā)散，此時(shí)一般可以通過將虛擬時(shí)間步長(zhǎng)調(diào)小來解決計(jì)算的發(fā)散問題。2）殘差曲線收斂，溫控曲線仍在變化如下圖所示，殘差曲線已經(jīng)收斂，而系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)曲線仍然存在一定的斜率，也就是說溫度仍然在變化。產(chǎn)生這種問題的原因是Flotherm軟件有其默認(rèn)的求解收斂設(shè)置，本文第二部分詳細(xì)的介紹了軟件關(guān)于溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)殘差的默認(rèn)設(shè)置。對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來講，默認(rèn)總功耗5%勺溫度場(chǎng)殘差是合適的；但是對(duì)于上千瓦的系統(tǒng)仿真來說，溫度場(chǎng)就不宜再以總功耗的5%乍為殘差的收斂標(biāo)準(zhǔn)了，應(yīng)當(dāng)將此時(shí)的殘差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的更為嚴(yán)格。下圖所示是某系統(tǒng)按照軟件默認(rèn)的5%勺收斂標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算所得的殘差曲線，由于系統(tǒng)總功耗較大，所以默認(rèn)殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)

17、不夠嚴(yán)格，最終導(dǎo)致殘差曲線收斂而溫度監(jiān)控曲線并未走平。若遇到上面這種殘差曲線，需要重新設(shè)置軟件的殘差收斂設(shè)置。在實(shí)際仿真過程中，將壓力、溫度和速度的收斂設(shè)置成最小值后繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，得到的殘差曲線如下圖所示，從圖中我們可以看到調(diào)整了收斂設(shè)置后軟件繼續(xù)計(jì)算了約125步，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度也發(fā)生了較大的變化。RMDMFI E曲:MlULV i: amBMOLI T-4u IlI I一I FTI n394LT4.i-i.-.-an&auini ani nni nwhnn.7.ianginam，n&*9ini * ani nnbM , _= mwibb nnnun - s - ai nil jk bbu nnb nwiBnawwHanua, - es - aI rmtRM3）殘差曲線劇烈震蕩后趨于收斂如下圖所示，溫度殘差曲線在開始求解進(jìn)行一段時(shí)間后發(fā)生劇烈震蕩，而后又趨于收斂。即使最后的結(jié)果是收斂的，結(jié)果的可信性仍然是需要打折扣的。發(fā)生類似問題時(shí)，首先檢查模型是否正確，在模型正確的前提下