Grundlagen zur numerischen Strömungsmechanik in der Elektrotechnik

In der Elektrotechnik ist das Management von Wärmeübertragungs- und Kühlsystemen entscheidend für die Gewährleistung von Zuverlässigkeit und Effizienz. Vermutungen und Hoffnungen sind unpraktisch, und Versuch-und-Irrtum-Methoden sind kostspielig und ineffizient. Durch die Vorstellung von Wärme als Flüssigkeit können Ingenieure einen präzisen und realistischen Modellierungsansatz anwenden. Die numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) hat sich zu einem wichtigen Werkzeug für die Analyse und Lösung von Herausforderungen im Wärmemanagement entwickelt, das es Teams ermöglicht, Lösungen zu finden und Risiken zu mindern, bevor sie in physische Ressourcen investieren. Dieser Artikel gibt einen allgemeinen Überblick über CFD, einschließlich seiner Funktionsweise und seiner Vorteile für die Elektronikentwicklung.

CFD - Die Grundlagen

CFD nutzt numerische Algorithmen zur Lösung komplexer, nichtlinearer partieller Differentialgleichungen, die die Strömungsmechanik und die Wärmeübertragung bestimmen. Diese Berechnungen erstellen detaillierte dreidimensionale Modelle, die die räumliche und zeitliche Dynamik physikalischer Systeme genau darstellen. Diese Methode bietet Ingenieuren realistische Einblicke, ohne die hohen Kosten von Versuchsaufbauten zu verursachen.

CFD verändert die thermische Analyse durch die Simulation der Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern und die Bewertung des Konvektionsverhaltens in den umgebenden Flüssigkeiten. Die Technik integriert die drei Hauptmethoden der Wärmeübertragung - Leitung, Konvektion und Strahlung - in Strömungssimulationen. Daraus ergeben sich umfassende Bewertungen des thermischen Verhaltens, die für elektrotechnische Anwendungen unverzichtbar sind.

Die meisten CFD-Programme sind für allgemeine Anwendungen konzipiert und modellieren Phänomene wie Wärmeübertragung, Luftströmung, Phasenwechsel und mehr. Es gibt jedoch spezialisierte CFD-Tools, die sich speziell auf die Wärmeübertragung konzentrieren, insbesondere in elektronischen Geräten, bei denen eine genaue Modellierung des thermischen Verhaltens für die Gewährleistung von Performance und Zuverlässigkeit entscheidend ist. Im Gegensatz zu Allzweck-CFD-Tools rationalisieren diese Nischenlösungen Prozesse, indem sie Funktionen auf spezifische Anwendungen zuschneiden. Spezielle Software kann zum Beispiel integrierte Schaltkreise, Leiterplatten, Kühlkörper, Wärmerohre und Lüfter modellieren. Eine Schlüsselfunktion ist die Bestimmung des Betriebspunkts eines Kühlgebläses auf der Grundlage des berechneten Systemwiderstands, um einen ausreichenden Luftstrom ohne unnötigen Stromverbrauch zu gewährleisten. Zusätzliche CFD-Thermoanalysedaten können folgendes enthalten:

• Luftströmungsfelder und -muster: Das Verhalten der Luftströmung um elektronische Komponenten herum
• Wärmestromraten: Quantifizierung der Wärmeübertragungsintensität über Oberflächen
• Identifizierung von Hotspots: Erkennung von lokalen Regionen mit übermäßiger Hitze
• Temperaturverteilung: Kartierung thermischer Gradienten in Systemen
• Wärmeübertragungsraten: Bewertung der Effizienz von Kühlmechanismen

Anhand dieser Daten können Ingenieure ihre Konstruktionen für eine effektive Wärmeableitung optimieren, Kühlstrategien verbessern und thermische Ausfälle verhindern. Diese Erkenntnisse sind wichtig für die Aufrechterhaltung der Systemzuverlässigkeit und die Verlängerung der Lebensdauer elektrischer Geräte.

Abbildung 1: Beispiel einer CFD-Analyse. (Bildquelle: Same Sky)

CFD - Wie funktioniert es?

Die rechnergestützte Strömungsdynamik beruht auf drei Grundprinzipien, die aus der Physik abgeleitet sind: der Erhaltung der Masse, der Erhaltung des Impulses und der Erhaltung der Energie. Diese Grundsätze werden mathematisch durch die Navier-Stokes-Gleichungen ausgedrückt. Wenn ein CFD-Modell auf der Grundlage dieser Gleichungen korrekt konfiguriert ist und zu einer Lösung konvergiert, erfüllt es von Natur aus die grundlegenden physikalischen Gesetze und gewährleistet die Zuverlässigkeit der Ergebnisse.

Eine Standard-CFD-Analyse umfasst in der Regel drei Hauptprozesse. Zusätzliche Schritte - sowohl vorbereitende als auch nachbereitende Tätigkeiten - können jedoch den Umfang und die Genauigkeit der Analyse erheblich verbessern.

Abbildung 2: CFD umfasst drei wichtige Prozesse. (Bildquelle: Same Sky)

Bevor eine CFD-Analyse durchgeführt werden kann, muss das Problem zunächst als partielles Differentialgleichungssystem formuliert werden. Diese grundlegende Phase ist von entscheidender Bedeutung, da sie die maßgeblichen Gleichungen definiert, die in der Regel auf den Navier-Stokes-Gleichungen basieren und die untersuchten physikalischen Phänomene beschreiben. Dieser Schritt stellt sicher, dass das mathematische Modell das physikalische Verhalten des Problems genau wiedergibt und dient als Ausgangspunkt für die CFD-Analyse.

1. Vorverarbeitungsphase: In der Vorverarbeitungsphase wandelt die CFD-Software die partiellen Differentialgleichungen in diskrete algebraische Gleichungen um. Eine Schlüsselaktivität in dieser Phase ist die Netzgenerierung, bei der das Berechnungsgebiet in strukturierte oder unstrukturierte Elemente (z. B. Dreiecke, Vierecke oder Tetraeder) unterteilt wird.

   Die Verfeinerung der Größe der Netzelemente in kritischen Bereichen des Strömungsfeldes, insbesondere in der Nähe von Grenzen oder Bereichen mit hohem Gefälle, gewährleistet eine genauere Darstellung der physikalischen Phänomene. Dieser Schritt wirkt sich direkt auf die Qualität und Genauigkeit der Simulationsergebnisse aus.

2. Verarbeitungsphase: In der Lösungsphase löst die CFD-Simulationssoftware numerisch die in der Vorverarbeitungsphase erstellten algebraischen Gleichungen. Der Simulationsprozess wird in hohem Maße von mehreren Faktoren beeinflusst, die die Berechnungszeit und -genauigkeit bestimmen, darunter:
   • Fähigkeiten der Computerhardware, wie Prozessorgeschwindigkeit und Speicher
   • Vektorisierung und Parallelisierungstechniken, die die Rechengeschwindigkeit optimieren
   • Datenstrukturen, die eine effiziente Datenverarbeitung gewährleisten
   • Abbruchkriterien, die die Konvergenz und den Abschluss der Simulation definieren
   • Maschengröße und -qualität sowie zeitliche Auflösung für transiente Simulationen
   • Programmiersprache, die die Effizienz und die Ausführung des Codes beeinflusst

   Die Ingenieure können auch verschiedene Simulationsparameter anpassen, um die Analyse für ihre spezifische Anwendung zu optimieren.

3. Nachbearbeitungsphase: In der Nachbearbeitungsphase geht es um die Analyse und Interpretation der Simulationsergebnisse. Die Daten aus der CFD-Simulation werden extrahiert und in Form von Bildern, Grafiken und Tabellen visualisiert, die einen Einblick in verschiedene Parameter geben. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse können die Ingenieure entscheiden, ob weitere Tests, Optimierungen oder Umgestaltungen erforderlich sind. Eine effektive Nachbearbeitung ist entscheidend für die Kommunikation der Ergebnisse und die Identifizierung umsetzbarer Schritte, sei es zur Validierung des Entwurfs, zur Verbesserung der Systemleistung oder zur Behebung von Problemen.

Lösung von thermischen Hotspots

CFD-Simulationen bieten ein hohes Maß an Präzision und wertvolle Erkenntnisse im Vergleich zu physikalischen Experimenten, insbesondere bei komplexen Strömungssystemen, bei denen die Erkennung thermischer Hotspots eine Herausforderung darstellt. Thermische Hotspots sind lokale Regionen mit deutlich höheren Temperaturen als die Umgebung. Wenn diese Hotspots nicht behoben werden, kann es im Laufe der Zeit zu einem Hitzestau kommen, der zu schwerwiegenden Folgen wie Systemstörungen, Ausfällen oder irreversiblen Schäden am Produkt führt. Diese Probleme können die Langlebigkeit elektronischer Geräte beeinträchtigen und möglicherweise die Sicherheit der Benutzer gefährden.

Mit Hilfe von CFD-Wärmesimulationen können Ingenieure die Wärmeverteilung innerhalb eines Produktdesigns genau vorhersagen und visualisieren. Diese Fähigkeit ermöglicht die frühzeitige Erkennung potenzieller thermischer Hotspots. Anhand dieser Informationen können gezielte Konstruktionsänderungen vorgenommen werden, wie z. B. die Verbesserung der Wärmeableitungsmechanismen, die Optimierung der Materialeigenschaften oder die Umgestaltung der Luftströmungswege, um einen übermäßigen Wärmestau zu verhindern. Dadurch wird das System widerstandsfähiger gegen thermische Belastungen, was die Wahrscheinlichkeit von Schäden verringert und seine Lebensdauer verlängert.

Kosten- und Zeitersparnis mit CFD

Ingenieure sind ständig bestrebt, leistungsfähigere elektronische Produkte zu entwickeln, aber die Entscheidung, mit der Massenproduktion fortzufahren, hängt oft von den Ergebnissen strenger Tests unter realen Bedingungen ab. Der Entwurfsprozess für moderne Elektronik wird immer komplizierter, die Produkte werden immer kompakter und erfordern erhebliche Investitionen an Zeit und Ressourcen, um auch nur einen einzigen Prototyp zu entwickeln. Nachdem ein Prototyp hergestellt wurde, wird er thermischen Belastungstests unterzogen, um seine Haltbarkeit, seine physikalischen Eigenschaften und seine Leistung in der Praxis zu bewerten. Nur Prototypen, die diese Tests bestehen, gehen in die Massenproduktion, während ein Misserfolg den vollständigen Verlust der ursprünglichen Investition zur Folge hat.

CFD bietet eine leistungsstarke Alternative, indem es die Simulation realer Bedingungen an virtuellen Modellen von Elektronikprodukten ermöglicht. Mithilfe von CFD können Ingenieure Wärmeübertragungsanalysen für ihre Entwürfe durchführen, thermische Probleme erkennen und das Modell verfeinern, ohne dass physische Prototypen erforderlich sind. Dieser iterative Simulationsprozess liefert präzise Ergebnisse, einschließlich detaillierter Visualisierungen von Strömungsmustern und Wärmeverteilung, und ermöglicht ein tieferes Verständnis komplexer Strömungs- und Wärmeübertragungssysteme als herkömmliche physikalische Tests.

Fazit

Durch den Einsatz von CFD-Simulationen können Ingenieure ihre Produktentwürfe effizient optimieren und so den Zeit- und Kostenaufwand für die Erstellung physischer Prototypen reduzieren. Dieser Ansatz minimiert das Risiko von Fehlern, beschleunigt den Entwicklungsprozess und stellt sicher, dass das Endprodukt mit verbesserter Leistung und Zuverlässigkeit für die Massenproduktion bereit ist. Wenn Sie Fragen dazu haben, wo und wie Sie mit CFD beginnen können, helfen Ihnen die Dienstleistungen von Same Sky im Bereich des thermischen Designs und das Angebot an Komponenten für das Wärmemanagement weiter.