Thermische Simulation mit numerischer Strömungsmechanik

Bei der Wärmeübertragung und Kühlung eines Produkts oder Systems sind Vermutungen und Hoffnungen keine Option, während Versuch und Irrtum eine teure und ineffiziente Methode sind. Durch die Behandlung von Wärme als Flüssigkeit ist es möglich, die Wärmebewegung präzise und realitätsnah zu modellieren. Die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist ein leistungsstarkes Analysewerkzeug, mit dem Projektteams Lösungen für technische Probleme erforschen und bewerten können, um Risiken zu minimieren, bevor reale Ressourcen eingesetzt werden.

Mit Hilfe numerischer Algorithmen löst die CFD komplexe nichtlineare partielle Differentialgleichungen, die die Strömungsmechanik und die Wärmeübertragung bestimmen. Dieser Ansatz ermöglicht die Erstellung dreidimensionaler Modelle, die die räumlichen und zeitlichen Aspekte physikalischer Systeme genau darstellen und sehr realistische Lösungen ohne die mit experimentellen Analysen verbundenen Kosten liefern.

Wie lässt sich numerische Strömungsmechanik zur Simulation nutzen?

Wenn die numerische Strömungsmechanik für die thermische Analyse eingesetzt wird, ist es möglich, die Wärmeübertragung zwischen einem Fluid und einem Festkörper zu berechnen und die Konvektion innerhalb des umgebenden Fluids zu bewerten. Numerische Algorithmen werden in der CFD eingesetzt, um dreidimensionale (3D-)Flüssigkeitsbewegungen und Wärmeübertragung zu simulieren, was die thermische Analyse erleichtert. Die thermische CFD-Analyse bezieht die Auswirkungen von Wärmeübertragungsmethoden, einschließlich Leitung, Konvektion und Strahlung, effektiv in Strömungssimulationen ein, und dies führt zu realistischen und umfassenden Ergebnissen.

Während die meiste Software für die numerische Strömungsmechanik allgemein ist und für die Modellierung von Wärme, aber auch von Luftströmungen, Phasenwechsel etc. verwendet wird, gibt es spezielle CFD-Software sowohl für die Wärmeübertragung im Allgemeinen als auch speziell für den Wärmefluss in elektronischen Geräten. Durch die Konzentration auf eine bestimmte Nische vereinfacht diese Software die Einrichtung und Lösung, da es weniger Optionen gibt, mit denen man sich auseinandersetzen muss. So verfügt bestimmte Software über speziell eingebaute Funktionen zur genauen Modellierung von integrierten Schaltkreisen, Leiterplatten, Kühlkörpern, Wärmerohren, Lüftern und vielem mehr. So kann diese Software beispielsweise den Betriebspunkt eines Lüfters auf der Grundlage des berechneten Systemwiderstands ermitteln und dadurch die richtige Balance des Luftstroms sicherstellen, um die Geräte angemessen zu kühlen, ohne sie zu verschwenden.

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Durch CFD-Thermoanalyse-Simulationen können auch andere wertvolle Informationen gewonnen werden, die eine genaue Vorhersage verschiedener Faktoren ermöglichen, darunter:

• Luftströmungsfelder und -muster
• Wärmestromraten
• Brennpunkte
• Temperaturverteilung
• Wärmeübertragungsraten

Konstrukteure können diese Daten nutzen, um effektive Wärmemanagementlösungen zu entwickeln und die Zuverlässigkeit und Sicherheit ihrer Konstruktionen zu gewährleisten. Mit Einblicken in diese wichtigen thermischen Parameter können Konstrukteure fundierte Entscheidungen treffen, um die Wärmeableitung zu optimieren, Kühlstrategien zu verbessern und thermische Probleme, die die Leistung oder Langlebigkeit des Systems beeinträchtigen könnten, zu vermeiden.

Wie funktioniert die numerische Strömungsmechanik?

Die rechnergestützte Strömungsdynamik basiert auf drei grundlegenden physikalischen Gleichungen – der Erhaltung der Masse, des Impulses und der Energie. Diese Gleichungen werden auch als Navier-Stokes-Gleichungen bezeichnet. Wenn das Modell auf der Grundlage dieser Gleichungen korrekt aufgebaut ist und das Modell zu einer Lösung konvergiert, bestätigt dies, dass das Modell den physikalischen Gesetzen entspricht und dass den Ergebnissen vertraut werden kann.

Bei einer Standard-CFD-Analyse werden in der Regel drei Hauptprozesse durchlaufen. Es lohnt sich jedoch, zusätzliche Aktivitäten, die vor und nach diesen Hauptprozessen stattfinden können, zu berücksichtigen, um ein umfassendes Verständnis zu vermitteln.

Die Phasen der mathematischen Modellierung

Bevor eine CFD-Analyse durchgeführt werden kann, muss das Problem bereits als partielles Differentialproblem vorliegen. Diese erste Phase ist sehr wichtig, da sie der CFD-Analyse vorausgeht und die Grundlage für die nachfolgenden Schritte bildet.

Vorverarbeitungsphase

In der Vorverarbeitungsphase wandelt die CFD-Software die partielle Differentialgleichung in eine Reihe von algebraischen Gleichungen um. In dieser Phase findet auch der entscheidende Prozess der Netzgenerierung, bei dem das Modell in strukturierte oder unstrukturierte Elemente wie Dreiecke oder Vierecke zerlegt wird, statt. Zusätzlich wird die Größe der Netzelemente im Strömungsfeld mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode verfeinert, um eine genaue Darstellung und effektive Analyse des Systems zu gewährleisten.

Lösungsphase mit CFD-Simulationssoftware

In der Lösungsphase wird eine CFD-Simulationssoftware eingesetzt, um die in der Vorverarbeitungsphase formulierten mathematischen Gleichungen zu lösen. Die Berechnungszeit für CFD-Strömungssimulationen kann von verschiedenen Faktoren abhängen, wie z. B.:

• Computer-Hardware
• Vektorisierung, Parallelisierung
• Datenstrukturen
• Abbruchkriterien
• Maschenweite, Maschenqualität, Zeit
• der verwendeten Programmiersprache

Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren haben Ingenieure und Konstrukteure die Flexibilität, verschiedene andere Variablen und Parameter zu berücksichtigen, die die CFD-Analyse beeinflussen können.

Nachbearbeitungsphase

In der Nachbearbeitungsphase werden die Daten aus der Simulation extrahiert und interpretiert. In diesem Stadium kommt der Analyst zu dem Schluss, dass auf der Grundlage der Ergebnisse weitere Tests, eine Optimierung oder eine Umgestaltung erforderlich sind. Die Ergebnisse können mit Hilfe von Bildern, Grafiken und Tabellen dargestellt werden, wodurch eine effektive Kommunikation der Analyseergebnisse ermöglicht wird.

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Optimierung der Wärmeübertragung und der Kühleffizienz

Nach dem Durchlaufen des gesamten Prozesses einer thermischen CFD-Analyse erhalten Ingenieure und Konstrukteure die Informationen, die sie benötigen, um übergreifende Änderungen an der Konstruktion vorzunehmen. Diese Analyse ermöglicht die Bestimmung der Wärmeübertragungseigenschaften in Produktdesigns für alle drei grundlegenden Wärmeübertragungsprozesse: Leitung, Konvektion und Strahlung. Durch den Einsatz der CFD können Ingenieure präzise Lösungen finden, die die aerodynamische Leistung verbessern und gleichzeitig die Strömung und Wärmeübertragung optimieren. Die aus der CFD-Analyse abgeleiteten Ergebnisse sind wertvoll, wenn es darum geht, Mängel in bestehenden Wärmeübertragungs- und Kühlsystemen innerhalb aktueller Konstruktionen zu identifizieren, sodass die Ingenieure Verbesserungen umsetzen können. Dieser umfassende Ansatz gestattet den Ingenieuren eine Feinabstimmung der Wärmemanagement-Strategien, die eine effiziente Wärmeableitung, eine verbesserte Kühlleistung und eine höhere Gesamtzuverlässigkeit des Systems gewährleistet.

Thermische Hotspots im Produktdesign berücksichtigen

CFD-Simulationen bieten im Vergleich zu physikalischen Experimenten insbesondere bei komplizierten Strömungssystemen, die das Aufspüren thermischer Hotspots erschweren, eine höhere Präzision und umfassendere Erkenntnisse. Bei diesen Hotspots handelt es sich um örtlich begrenzte Regionen mit höheren Temperaturen als in der Umgebung. Wird die Eindämmung dieser Hotspots vernachlässigt, kann es zu einem kontinuierlichen Wärmestau kommen, der schwerwiegende Folgen wie Systemausfälle, Fehlfunktionen oder Schäden am Produkt haben kann. Solche Ergebnisse gefährden nicht nur die Lebensdauer des elektronischen Produkts, sondern stellen auch ein Risiko für die Sicherheit der Benutzer dar.

Mit Hilfe von CFD-Wärmesimulationen lassen sich wertvolle Erkenntnisse über die Wärmeverteilung gewinnen, die die Identifizierung potenzieller thermischer Hotspots innerhalb eines Produktdesigns ermöglichen. Sobald diese spezifischen Bereiche identifiziert sind, können gezielte Verbesserungen vorgenommen werden, um die Wärmeübertragung zu verbessern und so das Risiko eines Wärmestaus in diesen Bereichen wirksam zu verringern. Dadurch ist das optimierte System weniger anfällig für Schäden und kann eine längere Lebensdauer haben.

Kosten- und Zeitersparnis durch virtuelles Testen und Optimieren

Ingenieure bemühen sich ständig um die Entwicklung verbesserter elektronischer Produkte, aber die endgültige Genehmigung für die Massenproduktion hängt oft von den Ergebnissen von Praxistests ab. Der Entwurfsprozess für moderne elektronische Produkte ist in der Regel kompliziert und kompakt und erfordert erhebliche Investitionen in Zeit und Geld, um einen einzigen Prototyp herzustellen. Sobald der Prototyp fertiggestellt ist, wird er thermischen Belastungstests unterzogen, um seine Haltbarkeit, seine physikalischen Eigenschaften und seine Eignung für reale Anwendungen zu bewerten. Nach erfolgreichem Abschluss dieser Tests wird die Massenproduktion genehmigt. Bei einem Ausfall des Prototyps wird die Investition jedoch zu einem Totalverlust.

Die CFD bietet die Möglichkeit, reale Umgebungen zu simulieren und virtuelle Modelle von Elektronikprodukten zu testen. Mithilfe der CFD kann eine Wärmeübertragungsanalyse des Entwurfs durchgeführt werden, die potenzielle Fehler identifiziert und Möglichkeiten zur Verfeinerung und Neukonstruktion des Modells für weitere Analysen bietet. Die Ergebnisse von CFD-Simulationen sind hochpräzise und bieten Ingenieuren eine visuelle Darstellung von Strömungsmustern und ermöglichen ein umfassendes Verständnis komplexer Strömungssysteme, das über das hinausgeht, was durch physikalische Experimente erreicht werden kann. Dieser iterative Prozess macht physische Prototypen überflüssig und verringert die Risiken, die mit erheblichen Zeit- und Kosteninvestitionen verbunden sind, und gestattet so den Forschern, ein optimiertes, für die Massenproduktion geeignetes Produkt zu entwickeln.

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Zusammenfassung

Die numerische Strömungsmechanik ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Quantifizierung und Vorhersage der Wärmebewegung, das schnelle und kostengünstige Iterationen eines Entwurfs ermöglicht. Auch wenn die Vorarbeiten und Kosten einige kleine Unternehmen zögern lassen, die Ressourcen für die Erstellung der Modelle und die Einrichtung der Simulationen aufzubringen, ist der langfristige Nutzen fast immer die Mühe wert. Die Aktualisierung des Modells und der Simulation zur Durchführung mehrerer Iterationen und zum schnellen Vergleich Dutzender, wenn nicht Hunderter verschiedener Konfigurationen ist vergleichsweise einfach. Ein gutes Verständnis der zugrundeliegenden Prinzipien, wie diese Wissenschaft und Software funktionieren, hilft jedem Nutzer, die Erwartungen und Grenzen dieser Wissenschaft und ihrer Implementierung zu kennen. Mit der entsprechenden Software und hochwertigen Modellen können Elektronik- und Elektroingenieure die ideale Lösung für die Kühlung ihrer Designs entwickeln. (na)