FloTHERM 辐射模型、故障排除与项目管理

本文将介绍FloTHERM中的辐射模型设置、常见的求解问题及故障排除方法，以及项目管理的基本操作。

辐射模型 (Radiation Model)

重要性：对于自然对流系统，辐射非常重要，可贡献高达50%的总传热量。
开启辐射：默认情况下辐射是关闭的。在项目管理器中的“PM/Model/Modeling”中开启。
- 有3个选项：“辐射关闭 (Radiation off)”、“辐射开启 (Radiation on)”和“辐射开启 - 高精度 (Radiation on – High Accuracy)”。通常不建议使用高精度选项，因为它只增加2-3%的精度，但会增加3%以上的求解时间。
准备几何体进行辐射交换：
- 需要将辐射属性 (Radiation Attributes) 附加到参与辐射交换的表面。
- 可以创建单一辐射表面 (Single radiating surfaces) 或细分辐射表面 (Sub-divided Radiating surfaces)。
- 单一辐射表面：适用于表面温度均匀的情况。FloTHERM 会计算整个表面的平均温度用于辐射方程。
- 细分辐射表面：当表面存在显著温差时使用。选定表面将被细分为 N 个片段（不同于网格单元）。每个片段计算平均表面温度，辐射换热方程重复计算 N 次。
设置：
- 单一辐射表面：只需输入“考虑的最小面积 (Minimum Area Considered)”，可使用默认值0 m²。
- 细分辐射表面：需要“细分表面容差 (Subdivided Surface tolerance)”和“考虑的最小面积 (Minimum Area Considered)”。细分表面容差是每个小片段的长度。最小面积可用于排除极薄表面（如PCB侧面）的辐射计算。
表面光洁度 (Surface finish) - 发射率 (Emissivity)：
- 需要考虑辐射表面的发射率 (ε)，其值介于0到1之间。0表示没有发射率或辐射，1表示黑体。
- 智能部件：通过材料属性定义发射率，指定“表面名称 (Surface Name)”和发射率值。库管理器材料会给出默认的 ε 值。
- 基本几何体：可以使用表面属性或材料/表面名称来定义 ε。
辐射模型和限制 (Radiation Model and limitations)：
- FloTHERM 使用灰体辐射模型 (Gray Body radiation model)。
- 考虑表面到表面辐射，不考虑辐射引起的流体温度升高。
- FloTHERM 会自动确定视形因子 (View Factor) 或交换因子 (Exchange Factor)。
- 如果辐射表面或片段过多，交换因子计算将耗时更长，并消耗大量内存。迭代时间也会大大增加。

故障排除 (Troubleshooting)

残差曲线和定义 (Residual Profiles and definitions)：求解器收敛性的可视化表示。
- 收敛 (Convergence)：残差曲线持续下降并趋于稳定。
- 发散 (Divergence)：残差曲线持续上升。
- 稳定 (Stable)：残差曲线趋于平坦但没有明显下降。
- 振荡 (Oscillating)：残差曲线在某个值附近周期性波动。
非收敛的常见原因：设置错误、网格不足、终止条件不合适、控制参数设置不当、自然不稳定性。

故障排除步骤

第一步：健全性检查 (Sanity Check)：
- 检查模型是否存在潜在设置错误。
- 可以独立于求解器运行，避免在不合理问题上浪费时间。
- 在消息窗口中报告问题：错误 (Errors)（模型无法运行）、警告 (Warnings)（模型可能存在问题）、信息 (Informationals)（感兴趣项，通常不表示问题）。
第二步：检查模型输入错误 (Check for Model Input Errors)：
- 设置中的不切实际值：例如输入5 MW而不是5 mW。
- 不切实际的几何体：例如风扇一半嵌入墙壁。
- 问题不适定 (ill-posed)：例如封闭系统但外壳没有材料。
第三步：检查网格 (Check the Grid)：
- 需要足够的网格来捕捉所有相关的物理现象。
- 在热源、散热器、风扇、进/出口通风口等预期有最大温度和速度梯度的区域增加网格。
- 误差场工具 (Error Field tool) 是识别需要增加网格的好方法。
- 建议：热固体中至少2个单元格，狭窄通道中至少3个单元格；热对象/芯片上方第1毫米内至少6个单元格；PCB上方和下方第1毫米内至少3个单元格。
- 误差场工具：激活误差场存储（在求解器控制中设置），它会保存每个网格单元中的误差。在可视化编辑器中定位最大/最小误差，显示网格，误差场会揭示不良网格。
第四步：检查终止条件 (Check Termination Criteria)：
- 例如，具有多种流体（空气和水）的系统，终止条件基于空气密度。
- 具有管道和风扇的系统，终止条件基于最大风扇速度。
第五步：假时间步长 (False Time Steps)：
- 在求解器控制下设置。
- 可以更改 X, Y, Z 速度和温度的值（用户指定）。
- 假时间步长用于控制收敛。

针对不同残差曲线的故障排除

收敛曲线 (Converging Profile)：理想情况，不建议用户操作。
发散曲线 (Diverging Profile)：立即停止求解。检查健全性检查、用户输入、建模决策、网格不足。定位问题点（监测点和误差场），停用对象/装配体以隔离问题。如果模型和网格正常，首先将自动假时间步长值减少10倍。在求解发散模型之前重新初始化。
稳定曲线 (Stable Profile)：检查用户输入（例如是否忽略分配材料导致热量滞留）。使用误差场检查网格。检查终止条件。尝试增加假时间步长值。如果模型和网格正常，使用监测点图和工程判断来评估结果质量。激活温度的监测点收敛。
振荡曲线 (Oscillating Profile)：使用误差场检查网格。调整求解控制：减少振荡变量的假时间步长。使用监测点图和工程判断来评估结果质量。如果流动行为是自然不稳定的（例如自然对流热物体上方的热羽流），可能需要瞬态分析 (transient analysis) 来求解模型。

最佳实践技巧 (Best Practice Techniques)

求解模型之前：进行健全性检查。使用监测点追踪感兴趣点的变量。仔细网格划分，关注预期有大梯度的区域。
求解模型之后：检查系统质量流量和能量平衡。使用误差场定位最大误差并检查网格。

项目管理 (Managing Projects)

保存项目 (Saving Projects)：
1. 在项目管理器中，点击“[项目/保存] (Project / Save)”。
2. 输入项目名称。
3. 选择解决方案目录。
4. 添加备注 (Notes)，可用于描述项目和追踪更改。
加载项目 (Loading Projects)：
1. 在项目管理器中，点击“[项目/加载] (Project / Load)”。
2. 在左上角窗口选择要加载的项目。
3. 点击“加载 (Load)”。
4. 如果所需项目不可见，请验证是否选择了正确的项目解决方案目录。
导入和导出项目 (Importing and Exporting Projects)：
- 通过右键点击项目管理器树的顶节点来导入/导出整个项目。
- 导入格式：FloXML, PDML, V1.4 文件, V2/V3 *.project, Pack Files。
- 导出格式：IGES, PDML, Pack Files (含/不含结果), SAT。