LED灯同步CFD分析解决方案from海基科技

LED灯同步CFD分析解决方案

北京海基嘉盛科技有限公司

2012年7月

目录

1. LED灯散热同步CFD分析需求 (1)

2. 公司及产品简介 (1)

2.1 Mentor Graphics公司简介 (1)

2.2 FloEFD简介 (2)

2.2.1 FloEFD应用范围 (2)

2.2.2 FloEFD包含的主要模块 (4)

2.2.3 FloEFD全面的仿真能力 (5)

2.2.4 FLoEFD核心优势——七大关键技术 (6)

2.2.5 FLoEFD核心技术——丰富数据库 (9)

2.2.6 FLoEFD核心技术——HV AC (9)

3. FloEFD与通用CFD软件对比 (10)

3.1 FloEFD与传统CFD、前端CFD的工作流程比较 (10)

3.2 FloEFD使设计人员成功实现CFD分析 (11)

4. FloEFD在LED等散热分析中的应用案例 (13)

4.1 FloEFD在汽车车灯及其他LED灯散热分析上的应用 (13)

4.2 热仿真一天内帮助Voxdale解决大功率LED过热问题 (16)

5. FloEFD在全球的部分客户 (18)

附录：海基科技简介 (19)

1.LED灯散热同步CFD分析需求

热管理对于LED 的性能和使用寿命至关重要，所以结构工程师在研发初期就要考虑LED 的散热问题。美国能源部（DOE）对LED 做出了如下评价：没有其它照明技术可以具有像LED 这样大的节能潜力和提升我们建筑环境品质。由于LED 的使用寿命是结温的函数，所以热管理对于LED 的性能至关重要。位于California San Jose 的Philips Lumileds Lighting 应用技术经理Rudi Hechfellner 说：“到目前为止热管理是LED 系统设计最重要的一个方面。LED 系统生产商通过寻求优化的散热器、高效印制电路板、高热导率外壳和其它先进热设计技术来应对这一挑战。由于热仿真可以在物理模型建立之前，从散热的角度评估不同设计方案和优化系统级设计，所以热仿真的作用日益凸现。”

FloEFD软件是专门为设计工程师编写的计算流体力学程序。FloEFD在模型转化、模型处理以及网格、收敛分析步骤中的独特技术，能极大地简化工程师的工作压力，缩短工程师工作时间。同时，FLoEFD不同于传统的CFD软件，它对于使用的CFD专业背景要求很低，网格划分等一些复杂过程可以自动完成，机械和设计工程师在经过短短的培训后可以迅速上手。目前，FloEFD已经得到航天航空行业、照明行业，消费电子行业，汽车电子行业客户的广泛认可。

2. 公司及产品简介

2.1 Mentor Graphics公司简介

Mentor Graphics 是电子设计自动化（EDA）和机械分析技术（MCAE）技术的领导厂商，提供完整的软件和硬件设计解决方案，让客户能在短时间内，以最低的成本，在市场上推出功能强大的电子产品。当今电路板与半导体元件变得更加复杂，并随着深亚微米工艺技术在系统单芯片设计的深入应用，要把一个具有创意的想法转换成市场上的产品，其中的困难度已大幅增加；为此Mentor Graphics提供了技术创新的产品与完整解决方案，让工程师得以克服他们所面临的设计挑战。

Mentor Graphics公司创立于1981年，总部位于美国的Wilsonville，Oregon，在2011年的营收超过9亿美元。

Mentor Graphics于1989年率先进驻中国，并将中国总部设于上海，且在北京和深圳设有办事处。Mentor Graphics拥有世界级的研发部门，在全球有76个办事处。与世界知名的电子产品制造商、供应商及半导体厂商结成战略联盟，开发新的设计解决方案服务于现代高科技产业。

2.2 FloEFD简介

FloEFD软件是专门为设计工程师编写的计算流体力学程序。FloEFD在模型转化、模型处理以及网格、收敛分析步骤中的独特技术，能极大地简化工程师的工作压力，缩短工程师工作时间。同时，FLoEFD不同于传统的CFD软件，它对于使用的CFD专业背景要求并不高，网格划分等一些复杂过程可以自动完成，机械和设计工程师在经过短短的培训后可以迅速上手。目前，FloEFD已经得到航天航空行业、照明行业，消费电子行业，汽车电子行业客户的广泛认可。利用FloEFD软件，可以解决以下问题：优化车载舱内空调送回风口的位置、优化空调送风风量和温度、优化电子元器件等各个部件的空间分布和大小等。通过车载舱内环境热分析，评估电子设备机箱、机柜以及舱内等热流场问题，降低车辆运行中可能出现设备过热和超出工作人员生存环境的风险。

2.2.1 FloEFD应用范围

同步CFD软件FLoEFD能解决诸如以下的各类问题：

1) 压降预测。对生活中大量广泛的产品（如阀门、喷嘴、过滤器和控制设备等）检查和优化压力以及一系列和压力相关的参数；

2) 流场分析。检测和优化物体内和周围的复杂流动。优化诸如机箱、车室、建筑物、抽油烟机、吸尘器、无尘室以及空气处理装置等内外气体和液体的交互作用。

3) 传热分析。发生在实际生活中很多产品包括烤箱、换热器、钻头等上的温度场可视化。分析复杂物理流程，如流体间、流体与周围固体材料间发生的热传导、

对流、耦合热交换以及辐射等热交换情况。

4) 应力预测。检查阀门的工作盈利， 流动引起的应力的载荷和热应力分析的温度引起变形。

5) 混合过程。探讨可视化流体和气体混合物流动，决定洗衣机、洗碗机、厨房设备、卫浴设备甚至燃料电池内的最优混合流动。

6) 电子散热。在产品造型阶段就使用FLoEFD ，能帮助公司更快的设计出更好的更可靠的产品，因为FloEFD 解决了设计工程师每天面对的挑战，如PCB 的热设计、散热器设计、封装结温、壳温以及气流优化。

压降预测 流场分析

传热分析 混合过程

应力预测电子散热2.2.2 FloEFD包含的主要模块

2.2.3 FloEFD全面的仿真能力

外流/内流

多流域（拥有独自流体参数）

不可压缩/可压缩气体粘性流动包括亚音速，跨音速，超音速和超高音速(5-30) 自动层流/湍流包括过渡求解

多组分模型（可达十种不相关组分）

非牛顿流体（多种材料模型,温度相关性）

蒸汽模型

相对湿度模型

空化模型

气相燃烧模型

壁面粗糙度模型

多旋转部件（转子–静子），考虑离心力和科氏力

多孔介质模型

耦合换热（流体-固体）,导热与对流

强迫对流/自然对流/混合对流

面-面辐射/太阳辐射/环境辐射

时间相关流动, 传热/传质分析

带风扇/散热器的换热器简化模型

热管、多孔板、双热阻、PCB 板、焦耳热、TEC 、风扇等简化模型/众多专

业厂家产品性能库以及电子散热分析专用材料库

2.2.4 FLoEFD核心优势——七大关键技术

1）DC3——Direct CAD-to-CFD Conception(与CAD 软件的完美接口)

传统CFD 软件的前处理过程，首先是将结构CAD 模型导入CFD 软件的前处理系统，然后人为判断哪些是流体流动区域，哪些是实体区域，据此再进行辅助几何造型，通过布尔操作完成对实体区域的切割、删除等等工作，稍微规模大一点的模型整个准备工作将需要耗去不少的时间。而在布尔操作等几何操作失败的情况下，CAD 结构工程师将不得不对结构进行重新造型。纠其症结，主要的原因是CAD 结构工程师与CFD 分析工程师关注点不同。FloEFD软件的出现，为CFD 分析工程师带来了巨大的方便，这得益于FloEFD与几大主流CAD软件的完全集成，使得FloEFD能够：

直接应用CAD模型，自动区分固体区域；

自动区分固体之外的流体区域，自动判定内部流动和外部流动。

2）RAM——Rectangular Adaptive Mesh（笛卡尔自适应网格）

网格划分是传统CFD 软件分析中的人工耗时最多的一个关键工作，网格的质量与分析结果的准确性具有直接的关系，传统的CFD 分析工程师都需要花费大量的时间去划分高质量的网格。而这一现状在EFD 软件中将彻底改观，EFD 的强大网格生成能力将CFD 工程师从繁重的网格划分工作中解放出来，因为EFD 能够： 自动进行固体和流体区域的网格划分，并且根据几何模型和/或求解自适应要求自动细化/粗化网格；

完全支持人工网格控制。

3）MWF——Modified Wall Functions（修正的壁面函数）

近壁面边界层网格的划分一直是传统CFD软件中一项重要的内容，EFD软件对壁面的处理有自己独特的优点：

应用部分单元技术，壁面处理与网格无关；

物理上修正的流动与换热边界层模拟。

4）LTTM——Laminar-Transitional-Turbulent Modeling（强大的层流-过渡-湍流模拟能力）

自动应用与网格无关的的修正壁面函数进行层流与湍流的模拟；

自动判定层流区,过渡区，湍流区，无需指定流动特征。

5）ACC——Automatic Convergence Control (自动收敛控制)

采用Cutting-edge数值方法和多重网格技术

健壮的收敛性，求解可靠

一次求解成功，无数值假扩散

（6）DV A – Design Variants Analysis（变量设计分析）

支持“What-If”分析的特征克隆技术，无需对模型进行任何进一步的定义。 允许对产品设计进行变量模拟，可用于产品设计中最优变量的确定

完全支持产品配置(Product Configuration)概念

支持多CPU计算，支持批处理求解

7）EUI - Engineering User Interface (工程化的用户界面)

易于使用的用户界面

工程化的参数定义语言

基于特征的建模

动态可视后处理功能

带有工程数据库，可直接调用许多工

程材料等数据，包括风扇性能曲线等。

MS Office后处理报表

使用风格同CAD软件，易于学习

支持将结果文件导入主流EFA分析软件中。

2.2.5 FLoEFD核心技术——丰富数据库

明导公司的Mechanical Analysis部门领导协助完成大量电子器件热模型方法的研发。这些方法中，有些已经成为JEDEC JC15组织推广的国际标准。并将这些电子器件热模型集成到FloEFD软件。电子热模型如下：

热管、多孔板、双热阻、PCB板、焦耳热、TEC等电子冷却专用模板；

双热阻、TEC、风扇等众多专业厂家产品性能库以及电子冷却分析专用材料库。

2.2.6 FLoEFD核心技术——HV AC

HV AC在世界建筑设计和工程以及制造业有广泛的影响，各国都有HV AC协会，中国建筑学会暖通分会即中国的官方代表机构。传热学、流体力学是HV AC 基本理论基础，它的研究和发展方向是为人类提供更加舒适的工作和生活环境。

FloEFD具有专门的HV AC模块，可以非常方便的研究环境的热舒适性。

均匀性

?热感觉平均标度预测值(PMV)

?预计不满意者的百分数(PPD)

舒适性

?平均辐射温度(MRT)

?空气分布特性指标(ADPI)

?当地空气龄(LMA)

?当地空气变化(LACI)

?操作温度(OT)

?吹风温度(DT)

?气流角

环保性

?污染物逃逸效率(CRE)

?当地空气品质(LAQI)

3. FloEFD与通用CFD软件对比

3.1 FloEFD与传统CFD、前端CFD的工作流程比较

（1）传统CFD ，如CAD+Gambit + Fluent

在传统CFD中，首先要将模型从CAD系统导出，导出的模型再导入到用户的CFD工具中，然后进行网格划分，求解，结果后处理以及将报告返回给设计团队。CFD分析部分的工作通常是由专门的分析团队完成，或者外包，因此设计团队必须清楚说明需要解决的问题。当拿到结果报告后，实质上所分析的模型已经“过时”，因为随着设计工作的推进，设计不断更新，因此这就造成了结果总不能及时与设计相匹配。

（2）前端CFD，如ANASYS12.0+CAD，可以在CAD点击快捷键打开ANSYS 前端CFD试图通过CAD和CFD工具之间更为合理的界面来缓解上述设计师面临的难题。它带来了更为简洁的模型导入，但是CFD分析工作仍是在CAD系统之外进行。CAD和CFD工具之间频繁的模型导入可导致信息的减损。

（3）同步CFD的工作流程，FloEFD与CAD无缝集成，也可称之为同步CFD 同步CFD工作流程完全不一样。它无缝集成在MCAD环境中，所以分析工作是在MCAD环境中完成。尽管将CFD无缝集成到CAD工具中要求高难度技术，然而它却能输送非凡的效益。为取得最佳产品质量必须不断更改设计，所有设计更改直接在CAD模型上完成，因此保证设计和CFD分析总是同步。

3.2 FloEFD使设计人员成功实现CFD分析

FloEFD与CAD无缝集成，也可称之为同步CFD。

同步计算流体力学(CFD)是一项突破性技术，使得设计工程师能在整个产品生命周期，在他们熟悉的MCAD界面下，执行前端和同步CFD分析，从而缩短设计时间，与传统方法和产品相比，缩短时间以数量级计。与传统CFD工具相比，同步CFD能缩短高达65-75%的时间，方便用户优化产品性能和可靠性，同时减少实验样品和研发成本，消除由交货期或产品质量问题引起的损失。

同步CFD可以一边设计一边验证

进一步分析CFD流程，可看到分析过程中的多个步骤。传统和前端CFD 中，需要将模型从CAD系统中导出，再导入到CFD工具中，并进行模型处理，使实体模型适合分析之用。当有任何设计更改发生时，如果为了保证设计和分析的同步，这些步骤就必须重复。

通常，这个方法要求分析的流体区域是密闭空间。在CAD术语中，这是指修复几何模型，使得模型缝合起来，CFD分析中通常称为“模型处理”。这是CFD 分析必然要求的步骤，因此三个方法都包含此步骤。

这些系统要求建立一个空间体，以代表流体区域。大多数传统CFD网格工具在固体模型上划分网格，因此它们要求提供固体模型。然而，CFD仿真求解的是流体区域，这就必须在CAD系统里面用一个大的实体通过布尔操作分割出额外的一个体来。通常这些操作在CAD系统里面完成，反向得到流体区域，然后转入CFD 系统进行网格划分。

传统CFD

前端CFD

FloEFD(同步CFD)

然而，同步CFD 却是不同的工作方法。用来做CFD 分析的模型是原始的CAD 模型。这意味着不需要模型转换步骤，设计工程师也从未离开CAD 系统。

因此，同步CFD 不需要“模型转换”或“定义流体区域”步骤。网格生成的步骤仍需要，但它所需要的时间仅数分钟，而不是来回反复消耗数小时。

同步CFD 提供的另一优势没有体现在图表中。当设计工程师自己操作设计分析后，他们自然很快领会如何在CAD 工具中建立适合分析的模型，消除“模型处理”步骤，因此节省的时间比图表显示的还要多。

4. FloEFD在LED等散热分析中的应用案例

4.1 FloEFD在汽车车灯及其他LED灯散热分析上的应用

大功率LED的发明对于极大地节省住宅和商务楼照明电力潜力巨大。与白炽灯泡少于2,000小时的寿命相比，LED灯具的使用寿命从大约6,000小时到超过50,000小时不等。LED系统设计项目的最大挑战无疑是热设计，因为驱动LED的能量中有75%-85%转换成热量，并需要散热。

汽车LED灯热分析

某路灯热分析结果

某普通LED灯热分析结果

某大功率LED热柱云图

某高能灯辐射散热

某LED灯散热分析结果

4.2 热仿真一天内帮助Voxdale解决大功率LED过热问题

Voxdale，总部位于比利时的工程咨询公司，使用Flomerics公司的EFD.Pro CFD(计算流体动力学)软件在一天内解决二极管热处理问题。原始样本过热问题致使装置的发光效率和寿命极大缩小。Voxdale工程师们利用CFD计算结果仅在一天内就重新设计了灯管罩壳，改善气流，消除过热，将灯具发光率和寿命提高到设计标准。

“灯具系统生产商做了设计样品，发现LED的温度迅速达到其最高工作温度，”Koen Beyers，Vodale总裁说：“厂商非常担忧产品的面世时间。谁也不清楚到底要花多少时间去修改和重新测试样品，直到解决问题，得到成功的设计。样品测试最大的问题在于看不到问题所在，犹如跌入黑暗深渊。”

“过去，CFD软件要求使用者具备深厚的流体动力计算方面的基础以保证求解结果的准确性。”Beyers说：“最近，新一代CFD软件出现，不再要求工程师掌握CFD计算部分的知识，而且使工程师能专注于产品流体动力方面。我们使用的CFD软件EFD.Pro，直接使用Pro/ENGINEER的CAD模型，自动生成流体区域网格，管理流动参数。”

Beyers利用EFD/ENGINEER为样品建模，输入CFD模拟所需的材料属性和边界条件。定义将CAD模型转换为CFD模型所需的所有信息花费了30分钟。然后Beyers操作软件对灯管罩壳周围和内部流场进行网格划分。仿真结果显示原来的设计没有足够的散热出口供灯管罩壳内的气流自由流动。

LED灯温度及流线分布

Beyers修改了设计，在保持灯具美观要求的情况下增加散热口区域。他的新设计既保证了气体在罩壳内停留足够的时间，又扩大了气体的流动。他还尝试一些不同的散热片，优化模型，达到减小气流出口面积的目的。新设计满足了客户所有的要求。

5. FloEFD在全球的部分客户