Bewährte Praktiken der thermischen CFD-Simulation

Im täglichen Leben und in der Technik ist das Verständnis der uns zur Verfügung stehenden Werkzeuge und vor allem ihrer Grenzen von entscheidender Bedeutung, um sie möglichst effektiv einzusetzen. Die numerische Strömungsmechanik ist ein unglaublich leistungsfähiges Werkzeug, das bei der Suche nach thermischen Lösungen für die Kühlung von Elektronikprodukten Zeit, Kosten und Stress reduzieren kann. Sie bietet zwar zahlreiche Vorteile, hat aber auch bestimmte Einschränkungen, die berücksichtigt, und bewährte Verfahren, die befolgt werden sollten.

Mögliche Einschränkungen und Überlegungen zur numerischen Strömungsmechanik

•  Genaue mathematische Modelle: Die CFD stützt sich auf genaue mathematische Gleichungen. Ungenauigkeiten in diesen Modellen können zu falschen Simulationsergebnissen führen. Moderne Software basiert häufig auf den Navier-Stokes-Gleichungen, die recht robust und vertrauenswürdig sind. Benutzerdefinierte Software oder Änderungen durch Dritte können jedoch die Genauigkeit beeinträchtigen.
• Anforderungen an die Rechenleistung: CFD-Simulationen können rechenintensiv sein und erfordern erhebliche Rechenleistung und Ressourcen. Bei ordnungsgemäß eingerichteten Modellen ist dies bei thermischen Simulationen der Elektronikkühlung in der Regel kein Problem. Wenn eine Simulation selbst bei sehr leistungsstarken Prozessoren mehrere Stunden dauert, ist es wahrscheinlich die Zeit wert, herauszufinden, ob das Modell oder die Simulation falsch aufgebaut ist.
• Kompetenz und Wissen: Der wirksame Einsatz der CFD erfordert Fachwissen in den Bereichen Wärmeübertragung, Produktabwägungen und Kühltechnologien in der Industrie sowie softwarespezifische Kenntnisse. Abgesehen von der Softwareschnittstelle und der Modellierung sind dies ebenfalls Voraussetzungen für ein qualitativ hochwertiges Wärmedesign und Kühlung. Das Verständnis der zugrundeliegenden Mathematik und Theorie hinter der CFD ist zwar ein zusätzlicher Bonus, aber wenn Sie nicht gerade den Code für ein CFD-Programm schreiben, ist dieses Wissen nicht notwendig.
• Unsicherheiten der Eingangsdaten: CFD-Simulationen können ein gewisses Maß an Unsicherheit oder Ungenauigkeit in den Eingabedaten beinhalten. Von diesen Einschränkungen ist dies vielleicht die schwerwiegendste und am weitesten verbreitete Sorge für jeden, der die CFD einsetzt.

Trotz dieser Einschränkungen bleibt die CFD ein leistungsfähiges Werkzeug für die Untersuchung einer Vielzahl von Problemen. Außerdem wird erwartet, dass die Popularität der CFD in Zukunft noch weiter zunehmen wird, da die Rechenleistung weiter steigt.

Bewährte Praktiken und Strategien für genaue Ergebnisse

Es gibt bewährte Verfahren und Strategien, um genaue und zuverlässige Ergebnisse bei CFD-basierten thermischen Simulationen sicherzustellen. Wenn Ingenieure diese Richtlinien befolgen, können sie die Qualität und Präzision ihrer Simulationen verbessern, welches zu einer robusteren und aufschlussreicheren Analyse des thermischen Verhaltens führt.

Verbesserung der Simulationsgenauigkeit

Herkömmliche CFD-Workflows sind mit zeitaufwändigen Prozessen, insbesondere während der CAD-Vorbereitung und der Vernetzung, verbunden. Der hohe Zeitaufwand für die Erstellung eines hochwertigen Feinnetzes führt häufig dazu, dass Ingenieure bei Simulationen auf grobe und minderwertige Netze zurückgreifen. Leider bringt dieser Ansatz erhebliche netzbedingte Fehler, die sich negativ auf die Gesamtgenauigkeit der Simulationsergebnisse auswirken, mit sich.

Es gibt jedoch immer bessere Techniken, die eine schnelle und zuverlässige Vernetzung von CAD-Geometrien ermöglichen und zeitaufwändige Vereinfachungen überflüssig machen. Diese Lösungen, die durch innovative Technologien ergänzt werden, verbessern die Präzision von Simulationen, die auf groben Gittern durchgeführt werden. So werden beispielsweise empirische Ansätze zur Vorhersage von Druckabfall und Wärmeübertragung in Kanälen, die nicht richtig vernetzt sind, verwendet. Mit der Zeit werden sich die Effizienz und die Genauigkeit verbessern.

Freisetzung von Design-Möglichkeiten

Durch die Einbeziehung der CFD in die frühen Phasen des Konstruktionsprozesses haben die Ingenieure eine größere Chance, die Produktleistung zu validieren und zu verbessern. Die Erkundung des Entwurfsraums mit verschiedenen Parametern bringt oft bessere Entwurfsalternativen oder Verbesserungen des bestehenden Entwurfs zutage. Diese Untersuchungen geben auch Aufschluss über die kritischen Aspekte des Designs, die die Produktleistung erheblich beeinflussen.

Thermische Simulation mit numerischer Strömungsmechanik

Physikalische Prototypentests sind kostenintensiv und zeitaufwendig. Die thermische Simulation mit numerischer Strömungsmechanik (CFD) ermöglicht eine präzise Analyse von Wärmeflüssen und unterstützt eine effiziente, risikominimierte Produktentwicklung.

Auflösen von CAD-Datenkonflikten

Bei der Integration neuer CFD-Werkzeuge sollte die Kompatibilität des von ihnen unterstützten CAD-Datenformats sorgfältig geprüft werden. Idealerweise müssen die thermischen Simulations- und Analysewerkzeuge in der Lage sein, mit nativen CAD-Daten zu arbeiten, da die Lösung von Problemen im Vergleich zur Arbeit mit neutralen Dateiformaten wie IGES und STEP viel einfacher ist. Der Import von nicht nativen Daten führt oft zu Interpretationsfehlern, die ihrerseits in fehlenden Flächen und Modelllücken, die zeitaufwändig repariert werden müssen, resultieren. In einigen Fällen, wenn ein erheblicher Teil der Geometrie während des Imports verloren geht, kann es unmöglich sein, das Modell vollständig zu reparieren.

Herkömmliche CFD-Werkzeuge wenden in der Regel Geometrieheilungstechniken oder Oberflächenumhüllungsmethoden an, um die durch importierte Geometrien verursachten Komplexitäten zu bewältigen. Die Erstellung einer geeigneten Geometrie für die CFD-Simulation kann jedoch arbeitsintensiv und zeitaufwendig sein.

Genaue Randbedingungen

Um bei CFD-Simulationen genaue Ergebnisse zu erzielen, ist die Festlegung präziser Randbedingungen (Boundary Conditions, BCs) unerlässlich. Die BCs, die numerische Werte an den Grenzen des Flüssigkeitsbereichs darstellen, spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Zuverlässigkeit der Berechnungen. Während die Angabe von BCs bei einphasigen Phänomenen einfach sein kann, wird es bei mehrphasigen Phänomenen oder solchen, die Reaktionen beinhalten, komplizierter.

Die Verwendung falscher Randbedingungen kann zu ungenauen Ergebnissen führen und sollte vor Beginn des Modellierungs- und Simulationsprozesses vermieden werden. Indem sichergestellt wird, dass die BCs sowohl aussagekräftig als auch genau sind, können die gewünschten Ziele der CFD-Studien effektiv erreicht werden.

Fachexperte

Ein Fachexperte ist für die CFD-Analyse von entscheidender Bedeutung, da er sicherstellt, dass der Ingenieur über einschlägige Kenntnisse und Erfahrungen auf diesem Gebiet verfügt. Dieses Fachwissen ermöglicht ein tieferes Verständnis und eine bessere Einschätzung der durch die CFD-Simulation erzielten Ergebnisse, sodass der Ingenieur aussagekräftige Erkenntnisse gewinnen und eine genaue Interpretation der Ergebnisse vornehmen kann.

Thermische Analyse von GaN-Hochfrequenzsystemen

Zu hohe Temperatur ist einer der häufigsten Gründe, weshalb Halbleiter zerstört werden. Ohne eine durchdachte thermische Analyse drohen Leistungseinbußen und Bauteilversagen. Welche Methoden wirklich helfen, GaN-HF-Systeme vor dem Hitzetod zu retten?

Mechanismus zur Qualitätssicherung

Um präzise CFD-Ergebnisse zu gewährleisten, ist es unerlässlich, während des gesamten Analyseprozesses ein strenges Qualitätssicherungssystem zu implementieren. Jede Stufe der Analyse sollte sorgfältig überprüft und begutachtet werden, um sicherzustellen, dass die Eingaben und Ergebnisse numerisch genau und logisch fundiert sind, bevor zur nächsten Stufe übergegangen wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich kleine Fehler ansammeln, die die Gesamtgenauigkeit der Endergebnisse beeinträchtigen könnten. Darüber hinaus ist es ratsam, eine unabhängige Überprüfung der Ergebnisse durch einen erfahrenen Ingenieur mit Fachkenntnissen auf dem Gebiet der CFD oder verwandter Simulationen vornehmen zu lassen.

Wenn die oben genannten Faktoren sorgfältig berücksichtigt und umgesetzt werden, wird die resultierende CFD-Analyse genaue Ergebnisse liefern, auf die sich die Beteiligten verlassen können, um fundierte Entscheidungen zu treffen, ohne dass weitere Validierungen erforderlich sind. (na)