內容全面：涵蓋FloTHERM 軟件熱仿真所有環節

注重實用：詳細介紹如何進行工程實際案例仿真

超值附贈：三大熱仿真實例模型和相關仿真數據

封裝元件的高熱流密度趨勢、電子產品的小型化發展方向和使用環境的多樣化，使電子產品散熱面臨著史無前例的巨大挑戰。同時電子產品又具有市場周期短、產品競爭激烈的特點。企業如何高效地確定產品散熱方案成為了重中之重。以往的電子產品方案設計流程已逐漸被淘汰。在產品設計初期通過仿真分析軟件進行方案的遴選，設計后期通過測試確定方案效果的研發模式已為很多企業所采用。美國市場研究公司Aberdeen Group在2011年的研究報告The ROI of Concurrent Design with CFD中指出，在產品研發中使用CFD進行仿真分析可以使在產品質量目標、銷售收入目標、保證產品上市日期和成本目標等方面的達標率提升6～13個百分點。

FloTHERM作為第一款針對電子散熱的商業化CFD軟件，已在行業內普遍應用。但據作者了解，行業內對這款軟件的理解和使用仍存在一定欠缺，主要有以下兩個原因：首先，CFD是一種涉及數值計算方法、傳熱學和流體力學等多門學科的技術，在對軟件使用和掌握的過程中需要一定的指導和積累；其次，電子行業存在產品寬泛、產品更迭快速的特點。小到幾毫米的封裝芯片，大到幾萬平米的數據中心，每一個產品都具有各自的熱特性和散熱機理，如何正確建立電子產品的仿真模型和邊界條件是軟件在實際應用中的重點。所以，除了掌握軟件基本的操作和命令之外，了解和熟悉軟件的背景原理及具體應用也尤為重要。作者正是基于這樣的想法，將本書以軟件為名，但又不僅限于軟件。在介紹軟件使用操作的同時，盡可能兼顧其所涉及的背景原理和實際應用，以期能使讀者更為正確地理解和使用軟件。

本書分為軟件基礎入門與應用實例兩大部分。軟件基礎入門以熱仿真工作流程：建立模型、網格劃分、求解計算、結果處理和優化設計為主線，逐一介紹了軟件的相關模塊、背景原理和使用技巧。其中第2章FloTHERM中傳熱學與流體力學基礎將傳熱學、流體力學等傳統學科與軟件相結合，以一種易于理解的形式闡述了軟件處理流體流動和傳熱傳質的方法與技巧，有助于讀者正確理解軟件的使用流程和方法。第4章智能元件從原理背景、軟件處理方式和實際應用注意事項等方面詳細介紹了電子行業常用元件，如芯片、PCB和風扇等的熱特性和仿真建模技巧，為讀者正確建立仿真模型提供了可能。一直以來網格劃分都是CFD仿真工作的難點和重點。第6章網格劃分在介紹軟件網格劃分命令的同時，也分享了一些作者在網格劃分方面的經驗和方法，以期能幫助讀者建立更高品質的網格。CFD仿真工作的另一個重點是求解計算的收斂性。第7章求解計算從計算收斂標準、殘差曲線形式和殘差曲線收斂性調整等方面進行了具體闡述和解釋，章節最后給出的殘差曲線收斂改善實例對讀者在軟件使用過程中調整計算收斂性有一定的借鑒意義。如果僅將FloTHERM軟件作為一款產品方案的驗證工具，那么軟件的價值和意義將會大打折扣。第9章 Command Center優化模塊在介紹軟件實驗設計、順序優化和響應面優化功能的同時，通過實例進一步展示如何將這些功能應用于產品方案的優化設計中。軟件應用實例部分由封裝級、系統級和環境級3個實例組成。第10章BGA封裝芯片熱仿真實例詳細介紹了如何建立BGA封裝芯片的詳細模型以及結合FloTHERM PACK在線工具獲得JEDEC標準認定的RJA和RJB等熱阻值。其中關于BGA芯片內部Die、Wire Bond、Substrate和Solder Ball等的建模方法和處理方式均得到實驗驗證和廣泛肯定。第11章戶外通信機柜熱仿真實例首先介紹了如何通過數值風洞簡化通信機柜模塊；其次根據戶外通信機柜需要考慮太陽輻射等特點，給出了類似項目仿真的注意事項和建議。其中通過組合使用Align、Move和Pattern等命令，可大幅加快仿真項目幾何建模速度。第12章數據中心熱仿真實例首先介紹了如何通過FloMCAD接口模塊將數據中心布局數據導入至軟件中，其次展示如何通過鼠標直接拖拉的方式進行幾何建模。此外，基于軟件對XML文本的支持，直接采用Excel軟件進行機柜的建模。本實例展示了軟件創建幾何模型的多種功能，盡可能提升仿真建模的效率。本章最后的網格質量調整過程，讀者也可以舉一反三應用至其他的仿真項目中。

本書在寫作過程中遵循熱仿真工作的基本流程，建議讀者在閱讀本書過程中循序漸進，先學習軟件基礎入門部分，再練習實例應用中的內容。對于本書有關軟件使用的內容，建議在軟件中進行具體的操作，以加深理解和認識。

FloTHERM軟件是Mentor Graphics公司機械分析部門的旗艦產品。作者首先要感謝Mentor Graphics公司機械分析部門中國區的所有同事。作者在學生時代就與其中很多人結識。其中有同事由于尋求更好的發展而離開，也有同事轉至兄弟部門。但不斷有新成員加入，使這個團隊始終保持著銳意進取的精神和活力。作者非常有幸能與他們一起工作和學習。一直以來他們的支持和鼓勵是作者前進的動力和基石。此外本書在寫作過程中得到行業內諸多資深專家的幫助：施耐德電氣（中國）有限公司的鄭臻軼對第2章內容進行審核并提出寫作建議；展訊通信（上海）有限公司的王虎對第4章的撰寫提供諸多有益的幫助和建議；上海貝爾股份有限公司的魏芃撰寫第11章的大部分內容，并仔細審核了應用實例部分內容；國際商業機器（中國）投資有限公司的陳文鑫對第10和12章的撰寫提供大力幫助，給出了諸多撰寫建議和指導，使作者深受啟發。最后作者要感謝自己家人，是他們的支持與鼓勵使作者能在較短的時間內完成本書的寫作工作。

由于作者水平有限，加之寫作過程中恰逢FloTHERM 10.0版本推出，本書從寫作到出版的整個過程都非常緊促，書中錯誤和不足之處在所難免，懇請廣大讀者批評指正，作者郵箱：[email protected]。正如古人云：“奇文共欣賞，疑義相與析。”

李波

2014年2月

第1章 FloTHERM概述 1
1.1 FloTHERM軟件介紹 1
1.2 FloTHERM軟件背景原理 1
1.3 FloTHERM功能特點 2
1.4 FloTHERM工程應用背景 3
1.5 FloTHERM軟件模塊 4
1.6 FloTHERM軟件安裝 7
1.6.1 FloTHERM軟件Windows版本安裝 7
1.6.2 許可證安裝 11
1.6.3 浮動版軟件客戶端許可證設置 14
1.7 FloTHERM軟件主界面 14
1.8 FloTHERM簡單實例分析 15
第2章 FloTHERM中傳熱學與流體力學基礎 22
2.1 熱傳導 22
2.1.1 熱傳導微分方程式 22
2.1.2 傅里葉定律 22
2.1.3 熱導率 23
2.1.4 熱阻 25
2.1.5 二維矩形區域穩態熱傳導問題
數值求解 26
2.1.6 小結 28
2.2 對流換熱 28
2.2.1 對流換熱的起因與狀態 28
2.2.2 牛頓冷卻定律 29
2.2.3 對流換熱無量綱準則數 29
2.2.4 外掠平板強迫對流換熱實例 30
2.2.5 小結 32
2.3 熱輻射 32
2.3.1 熱輻射的相關概念 32
2.3.2 熱輻射基本定律 33
2.3.3 紅外輻射換熱計算 35
2.3.4 太陽輻射 36
2.3.5 FloTHERM中的紅外輻射計算 37
2.3.6 FloTHERM中的太陽輻射計算 41
2.3.7 紅外輻射計算實例 43
2.3.8 太陽輻射計算實例 44
2.3.9 小結 46
2.4 流體流態 47
2.4.1 湍流問題數值模擬求解 47
2.4.2 FloTHERM中的層流流動 48
2.4.3 FloTHERM中的湍流模型 49
2.4.4 小結 51
2.5 瞬態分析 51
2.5.1 背景 51
2.5.2 FloTHERM瞬態仿真分析介紹 53
2.5.3 FloTHERM瞬態仿真分析實例 56
2.5.4 小結 68
2.6 重力 68
2.6.1 FloTHERM中的重力加速度設置 68
2.6.2 FloTHERM中的浮升力計算 69
2.6.3 小結 70
2.7 流體 70
2.7.1 空氣物性參數 70
2.7.2 水物性參數 71
2.7.3 FloTHERM中的流體特性 72
2.7.4 Fluid特性應用 72
2.7.5 小結 73
2.8 邊界條件 73
2.8.1 溫度對電子設備散熱的影響 73
2.8.2 壓力 74
2.8.3 Boundaries Face 75
2.8.4 System的Ambient特性 76
2.8.5 Model Setup中的Pressure和
Temperature 77
2.8.6 Ambient Temperature和Default
Ambient Temperature設置 78
2.8.7 小結 80
2.9 求解域 80
2.9.1 環境對系統設備的影響 80
2.9.2 系統外部物體的影響 81
2.9.3 系統外無重要影響因素 81
2.9.4 Cutout 83
2.9.5 小結 83
第3章 軟件常用命令 84
3.1 Project菜單 84
3.2 Edit菜單 87
3.3 View菜單 89
3.4 Geometry 菜單 89
3.5 Model Setup菜單 94
3.6 Grid菜單 94
3.7 Solve菜單 95
3.8 Window菜單 95
3.9 Viewer菜單 96
3.10 Help菜單 98
第4章 智能元件 99
4.1 封裝元件 99
4.1.1 背景 99
4.1.2 封裝元件在FloTHERM中的建模 99
4.1.3 封裝元件建模實例 103
4.1.4 小結 105
4.2 PCB 105
4.2.1 背景 105
4.2.2 PCB智能元件 105
4.2.3 過孔簡化 108
4.2.4 PCB在FloEDA中的處理 108
4.2.5 PCB通過FloEDA模塊建模
應用實例 111
4.2.6 小結 114
4.3 散熱器 115
4.3.1 背景 115
4.3.2 散熱器智能元件 118
4.3.3 散熱器智能元件應用實例 125
4.3.4 小結 126
4.4 導熱界面材料 126
4.4.1 背景 126
4.4.2 導熱界面材料在FloTHERM中的
建模方法 129
4.4.3 導熱界面材料應用實例 130
4.4.4 小結 132
4.5 熱電制冷器 133
4.5.1 背景 133
4.5.2 FloTHERM中的熱電制冷器建模 135
4.5.3 熱電制冷器特性參數 138
4.5.4 FloTHERM中熱電制冷器應用實例 138
4.5.5 小結 140
4.6 熱管 141
4.6.1 背景 141
4.6.2 熱管智能元件 142
4.6.3 熱管智能元件應用實例 143
4.6.4 小結 144
4.7 風扇 144
4.7.1 背景 144
4.7.2 軸流風扇智能元件 148
4.7.3 前向葉片離心風扇模型 153
4.7.4 后向葉片離心風扇模型 154
4.7.5 軸流風扇建模實例 154
4.7.6 前向葉片離心風扇建模實例 155
4.7.7 后向葉片離心風扇建模實例 158
4.7.8 其他 159
4.7.9 小結 161
4.8 流動阻尼元件 161
4.8.1 背景 161
4.8.2 流動阻尼智能元件 162
4.8.3 流動阻尼在FloTHERM中的
應用實例 166
4.8.4 小結 173
4.9 電子設備外殼 174
4.9.1 背景 174
4.9.2 外殼智能元件 174
4.9.3 外殼智能元件應用實例 175
4.9.4 小結 178
4.10 熱交換器 179
4.10.1 背景 179
4.10.2 熱交換器智能元件 179
4.10.3 熱交換器應用實例 182
4.10.4 小結 185
4.11 機柜 185
4.11.1 背景 185
4.11.2 機柜智能元件 186
4.11.3 機柜應用實例 187
4.11.4 小結 188
4.12 機房空調 188
4.12.1 背景 188
4.12.2 空調智能元件 188
4.12.3 機房空調應用實例 190
4.12.4 小結 191
4.13 Region 191
4.13.1 背景 191
4.13.2 Volume Region 192
4.13.3 Collapsed Volume Region 194
4.13.4 Collapsed Volume Region仿真數據
獲取實例 194
4.13.5 小結 195
第5章 特性 196
5.1 Ambient特性 196
5.2 Fluid特性 197
5.3 Grid Constraint特性 198
5.4 Material特性 199
5.5 Radiation特性 201
5.6 Resistance特性 201
5.7 Source特性 202
5.8 Surface特性 204
5.9 Surface Exchange特性 205
5.10 Thermal特性 206
5.11 Transient特性 207
第6章 網格劃分 209
6.1 網格劃分步驟 209
6.2 幾何模型處理 209
6.3 系統網格設置 210
6.4 網格約束與局域化 212
6.5 重要區域網格劃分經驗 214
6.5.1 軸流風扇 214
6.5.2 散熱器 215
6.5.3 PCB 215
6.6 網格質量調整 215
6.7 網格獨立性 217
6.8 網格劃分實例 218
6.9 小結 222
第7章 求解計算 223
7.1 Profiles窗口介紹 223
7.1.1 Profiles窗口作用 223
7.1.2 Profiles窗口界面 223
7.2 求解收斂判斷標準 224
7.3 求解計算參數殘差值 225
7.4 參數終止計算殘差值 226
7.4.1 壓力終止計算殘差值 226
7.4.2 速度終止計算殘差值 227
7.4.3 溫度終止計算殘差值 227
7.5 參數殘差曲線的形式 227
7.6 出現收斂問題的原因 228
7.6.1 與參數終止計算殘差值相關 228
7.6.2 仿真模型創建錯誤 229
7.6.3 網格質量和數量 229
7.7 求解選項設置 230
7.8 參數殘差曲線收斂改善方法 232
7.8.1 仿真模型檢查 232
7.8.2 確定引起收斂問題的原因 233
7.8.3 求解選項調整 233
7.8.4 采用Monitor Point Convergence For
Temperature功能 233
7.8.5 殘差曲線收斂改善實例 233
7.9 小結 236
第8章 Visual Editor后處理模塊 237
8.1 Visual Editor介紹 237
8.1.1 Visual Editor作用 237
8.1.2 Visual Editor界面 237
8.2 Visual Editor圖形后處理 238
8.2.1 基本操作 238
8.2.2 全局設置 240
8.2.3 Viewer設置 241
8.2.4 Geometry設置 241
8.2.5 結果設置 242
8.2.6 標注 248
8.2.7 動畫 248
8.2.8 結果輸出 249
8.3 Visual Editor 表格后處理 249
8.3.1 結果數據類型 249
8.3.2 數據結果輸出 253
8.3.3 自動創建結果報告 253
8.4 小結 254
第9章 Command Center優化模塊 255
9.1 Command Center優化模塊介紹 255
9.1.1 Command Center作用 255
9.1.2 Command Center界面 255
9.1.3 Command Center使用流程 255
9.2 輸入變量 256
9.2.1 數據輸入形式 257
9.2.2 圖形輸入形式 258
9.3 輸出變量 258
9.4 創建方案 258
9.4.1 默認創建方案 258
9.4.2 Multiply Input Variables創建方案 259
9.4.3 實驗設計創建方案 260
9.4.4 方案列表 262
9.5 方案求解監控 263
9.6 方案優化設計 264
9.6.1 順序優化 265
9.6.2 響應面優化 265
9.7 優化方案結果處理 266
9.8 Command Center優化實例 267
9.9 小結 272
第10章 BGA封裝芯片熱仿真實例 273
10.1 BGA封裝芯片背景 273
10.2 BGA封裝芯片熱設計目標 273
10.3 BGA封裝芯片散熱機理 273
10.4 BGA封裝芯片熱仿真概述 274
10.4.1 熱仿真目標 274
10.4.2 熱仿真流程 274
10.4.3 熱仿真所需信息 275
10.5 BGA封裝芯片熱仿真 277
10.5.1 BGA封裝芯片建模 277
10.5.2 BGA封裝芯片RJA熱阻熱仿真 289
10.5.3 BGA封裝芯片RJB熱阻熱仿真 295
10.6 小結 302
第11章 戶外通信機柜熱仿真實例 303
11.1 戶外通信機柜熱設計背景 303
11.2 戶外通信機柜冷卻架構 303
11.3 戶外通信機柜熱設計方法 304
11.4 戶外通信機柜熱仿真概述 304
11.4.1 熱仿真目標 304
11.4.2 熱仿真流程 304
11.4.3 熱仿真所需信息 305
11.5 戶外通信機柜熱仿真 305
11.5.1 Shelf模塊簡化 305
11.5.2 戶外通信機柜穩態熱仿真分析 325
11.6 小結 344
第12章 數據中心熱仿真實例 345
12.1 數據中心熱設計背景 345
12.2 數據中心熱設計挑戰 345
12.3 數據中心熱設計目標 346
12.4 數據中心冷卻架構 346
12.5 數據中心熱仿真概述 348
12.5.1 數據中心介紹 348
12.5.2 熱仿真目標 348
12.5.3 熱仿真流程 349
12.5.4 熱仿真所需信息 349
12.6 數據中心熱仿真 349
12.6.1 建立仿真模型 350
12.6.2 網格劃分 378
12.6.3 求解計算 382
12.6.4 結果分析 383
12.7 小結 384
參考文獻 385

1. 零基礎玩轉國產大模型DeepSeek [徐永冰 張帥 編著]
2. 網絡工程師5天修煉（適配第6版考綱） [主編　朱小平 施游]
3. 信息系統項目管理師考試32小時通關（適用第4版考綱） [薛大龍]
4. 信息系統管理工程師考試32小時通關（適配第2版考綱） [薛大龍　劉偉]
5. 土木工程材料檢測實訓 [洪曉江 達則曉麗 錢波]
6. 科技信息檢索與論文寫作實用教程 [李振華]
7. 傳統山水畫論解讀與實踐 [陳鈉 著]
8. Python數據庫編程 [主編 殷樹友 邢 翀]
9. 計算機基礎實訓指導 [主編 袁春萍 朱妮]
10. 嵌入式人工智能技術應用（數字教材） [主編 胡娜 楊國勇 晏廷榮]
11. Vienna整流器技術 [桂存兵 著]
12. 變頻器與伺服應用 [陳剛 葉云飛]
13. 物聯網工程設計與實踐 [湯琳 李敏]
14. 爐邊夜話——深入淺出話AI [汪建　著]
15. 電商運營與管理 [鐘肖英 陳瀟]
16. Java面向對象程序設計 [主編 姜春磊 陳虹潔]
17. 信息技術基礎（Windows 10+WPS Office）（微課版） [主編　石利平　田輝平　謝盛嘉]
18. 人工智能應用 [主編　陳　萍　劉培培　陳孟軍]
19. 大學生職業發展與就業指導 [主編　劉志堅]
20. 高級辦公應用項目教程 [主編 屈晶 趙成麗]
21. 微信小程序開發項目實戰（微課版） [主編 黃龍泉 郭峰 朱倩]
22. 企業檔案工作實戰寶典百問百答 [華俊 盧秀英 邵甜甜 著]
23. 計算機網絡原理及應用 [主編 唐繼勇 葉坤 孫夢娜]
24. 大學生創業基礎 [主編 王麗莉 王 楊]
25. 船舶輔機 [主編 王連海 于洋 姜淑翠]
26. 大學生就業指導 [主編 王麗莉 董宴廷]
27. 系統架構設計師章節習題與考點特訓 [主編 薛大龍 鄒月平]
28. 高校學生工作探索與實踐 [郭亮 著]
29. 大學生情商管理 [方雄 著]
30. 2023年長沙市會展業發展報告 [主編 周棟良]