Computationele vloeistofdynamica begrijpen in elektrotechniek

Op het gebied van elektrotechniek is het beheer van warmteoverdracht en koelsystemen cruciaal voor de betrouwbaarheid en efficiëntie. Gokwerk en hoop zijn onpraktisch, terwijl trial-and-error-methoden duur en inefficiënt zijn. Door warmte op te vatten als een vloeistof kunnen ingenieurs een nauwkeurige en realistische modelbenadering toepassen. Computationele vloeistofdynamica (CFD) is een essentieel hulpmiddel geworden voor het analyseren en oplossen van uitdagingen op het gebied van thermisch beheer, waardoor teams oplossingen kunnen verkennen en risico's kunnen beperken voordat ze in fysieke middelen investeren. Dit artikel geeft een algemeen overzicht van CFD, inclusief hoe het werkt en de voordelen bij het ontwerpen van elektronica.

CFD - de basis

CFD gebruikt numerieke algoritmen om complexe, niet-lineaire partiële differentiaalvergelijkingen op te lossen die de vloeistofmechanica en warmteoverdracht bepalen. Deze berekeningen creëren gedetailleerde driedimensionale modellen die de ruimtelijke en temporele dynamiek van fysieke systemen nauwkeurig weergeven. Deze methode biedt ingenieurs realistische inzichten zonder de hoge kosten van experimentele opstellingen.

CFD transformeert thermische analyse door de interacties tussen vloeistoffen en vaste stoffen te simuleren en het convectieve gedrag binnen omringende vloeistoffen te beoordelen. De techniek integreert de drie primaire methoden van warmteoverdracht - geleiding, convectie en straling - in simulaties van vloeistofstromen. Dit resulteert in uitgebreide beoordelingen van thermisch gedrag, die onmisbaar zijn in elektrotechnische toepassingen.

De meeste CFD-software is ontworpen voor algemene toepassingen, waarbij verschijnselen zoals warmteoverdracht, luchtstroming en faseveranderingen worden gemodelleerd. Er zijn echter gespecialiseerde CFD-tools beschikbaar die zich specifiek richten op warmteoverdracht, met name binnen elektronische apparaten, waar nauwkeurige modellering van thermisch gedrag cruciaal is voor het garanderen van prestaties en betrouwbaarheid. In tegenstelling tot algemene CFD-tools stroomlijnen deze nicheoplossingen processen door functies op maat te maken voor specifieke toepassingen. Speciale software kan bijvoorbeeld geïntegreerde circuitpakketten, printplaten, koellichamen, heatpipes en ventilators modelleren. Een belangrijke functie is het bepalen van het werkpunt van een koelventilator op basis van de berekende systeemweerstand, zodat er voldoende luchtstroom is zonder onnodig stroomverbruik. Aanvullende CFD thermische analysegegevens kunnen zijn:

• Luchtstroomvelden en -patronen: Inzicht in luchtstromingsgedrag rond elektronische componenten
• Warmtestromen: De intensiteit van warmteoverdracht over oppervlakken kwantificeren
• Hotspot-identificatie: Lokale gebieden met overmatige hitte detecteren
• Temperatuurverdeling: In kaart brengen van thermische gradiënten in systemen
• Warmteoverdrachtsnelheden: De efficiëntie van koelmechanismen evalueren

Met deze gegevens kunnen ingenieurs ontwerpen optimaliseren voor effectieve warmteafvoer, koelstrategieën verbeteren en thermische storingen voorkomen. Deze inzichten zijn essentieel om de betrouwbaarheid van het systeem te handhaven en de levensduur van elektrische apparaten te verlengen.

Afbeelding 1: Voorbeeld van CFD-analyse. (Bron afbeelding: Same Sky)

CFD - hoe werkt het?

Computationele vloeistofdynamica berust op drie kernprincipes uit de natuurkunde: behoud van massa, behoud van momentum en behoud van energie. Deze principes worden wiskundig uitgedrukt in de Navier-Stokes vergelijkingen. Wanneer een CFD-model correct is geconfigureerd op basis van deze vergelijkingen en convergeert naar een oplossing, voldoet het inherent aan de fundamentele wetten van de fysica, waardoor de betrouwbaarheid van de resultaten wordt gegarandeerd.

Een standaard CFD-analyse omvat doorgaans drie primaire processen. Extra stappen - zowel voor- als nabewerkingsactiviteiten - kunnen de volledigheid en nauwkeurigheid van de analyse echter aanzienlijk verbeteren.

Afbeelding 2: CFD bestaat uit drie grote verwerkingsstappen. (Bron afbeelding: Same Sky)

Voordat een CFD-analyse wordt gestart, moet het probleem eerst worden geformuleerd als een systeem van partiële differentiaalvergelijkingen. Deze basisfase is van cruciaal belang, omdat hierin de regerende vergelijkingen worden gedefinieerd - meestal gebaseerd op de Navier-Stokes-vergelijkingen - die de bestudeerde fysische verschijnselen beschrijven. Deze stap zorgt ervoor dat het wiskundige model het fysieke gedrag van het probleem nauwkeurig weergeeft en dient als uitgangspunt voor de CFD-analyse.

1. Voorbewerkingsfase: In de voorbewerkingsfase zet de CFD-software de partiële differentiaalvergelijkingen om in discrete algebraïsche vergelijkingen. Een belangrijke activiteit tijdens deze fase is het genereren van mesh, waarbij het berekeningsdomein wordt opgedeeld in gestructureerde of ongestructureerde elementen (bv. driehoeken, vierhoeken of tetraëders).

   Het verfijnen van de grootte van de mesh-elementen in kritieke gebieden van het stromingsveld, vooral in de buurt van grenzen of gebieden met een hoge gradiënt, zorgt voor een nauwkeurigere weergave van de fysische fenomenen. Deze stap beïnvloedt direct de kwaliteit en precisie van de simulatieresultaten.

2. Verwerkingsfase: In de oplossingsfase lost de CFD-simulatiesoftware de algebraïsche vergelijkingen die in de voorbewerkingsfase zijn gegenereerd numeriek op. Het simulatieproces wordt sterk beïnvloed door verschillende factoren die de rekentijd en nauwkeurigheid bepalen, waaronder:
   • Hardwarecapaciteiten van de computer, zoals processorsnelheid en geheugen
   • Vectorisatie- en parallellisatietechnieken die de rekensnelheid optimaliseren
   • Gegevensstructuren, voor efficiënte gegevensverwerking
   • Stopcriteria, die convergentie en voltooiing van de simulatie definiëren
   • Maaswijdte en -kwaliteit en temporele resolutie voor transiënte simulaties
   • Programmeertaal, die de efficiëntie en uitvoering van code beïnvloedt

   Ingenieurs kunnen ook verschillende simulatieparameters aanpassen om de analyse te optimaliseren voor hun specifieke toepassing.

3. Nabewerkingsfase: De post-processing fase richt zich op het analyseren en interpreteren van de simulatieresultaten. Gegevens uit de CFD-simulatie worden geëxtraheerd en gevisualiseerd via afbeeldingen, grafieken en tabellen, waardoor inzicht wordt verkregen in verschillende parameters. Op basis van deze bevindingen kunnen ingenieurs bepalen of verdere tests, optimalisatie of herontwerpen nodig zijn. Effectieve nabewerking is essentieel voor het communiceren van resultaten en het identificeren van uitvoerbare stappen, of het nu gaat om het valideren van het ontwerp, het verbeteren van de systeemprestaties of het oplossen van problemen.

Thermische hotspots oplossen

CFD-simulaties bieden een hoge mate van precisie en waardevolle inzichten in vergelijking met fysische experimenten, in het bijzonder voor complexe stromingssystemen waar het detecteren van thermische hotspots een uitdaging is. Thermische hotspots zijn gelokaliseerde gebieden met temperaturen die aanzienlijk hoger liggen dan hun omgeving. Als deze hotspots niet worden aangepakt, kunnen ze na verloop van tijd leiden tot warmteophoping, wat kan resulteren in ernstige gevolgen zoals systeemstoringen, defecten of onomkeerbare schade aan het product. Deze problemen kunnen de levensduur van elektronische apparaten in gevaar brengen en mogelijk de veiligheid van de gebruiker in gevaar brengen.

Door gebruik te maken van CFD thermische simulaties kunnen ingenieurs de thermische distributie binnen het ontwerp van een product nauwkeurig voorspellen en visualiseren. Hierdoor kunnen potentiële thermische hotspots vroegtijdig worden geïdentificeerd. Met deze informatie kunnen gerichte ontwerpaanpassingen, zoals het verbeteren van mechanismen voor warmteafvoer, het optimaliseren van materiaaleigenschappen of het herconfigureren van luchtstroompaden, worden doorgevoerd om overmatige warmteopbouw te voorkomen. Hierdoor wordt het systeem beter bestand tegen thermische spanningen, waardoor de kans op schade afneemt en de operationele levensduur wordt verlengd.

Kosten en tijd besparen met CFD

Ingenieurs streven er voortdurend naar om beter presterende elektronische producten te ontwikkelen, maar de beslissing om over te gaan tot massaproductie hangt vaak af van de resultaten van strenge tests in de praktijk. Het ontwerpproces voor moderne elektronica wordt steeds ingewikkelder, met producten die steeds compacter worden en aanzienlijke investeringen in tijd en middelen vereisen om zelfs maar een enkel prototype te ontwikkelen. Nadat een prototype is geproduceerd, ondergaat het thermische belastingstesten om de duurzaamheid, fysieke eigenschappen en prestaties in de praktijk te evalueren. Alleen prototypes die deze tests doorstaan gaan door naar massaproductie, terwijl een mislukking resulteert in een volledig verlies van de initiële investering.

CFD biedt een krachtig alternatief door simulatie van echte omstandigheden op virtuele modellen van elektronische producten mogelijk te maken. Met CFD kunnen ingenieurs warmteoverdrachtanalyses uitvoeren op hun ontwerpen, thermische problemen identificeren en het model verfijnen zonder dat er fysieke prototypes nodig zijn. Dit iteratieve simulatieproces levert nauwkeurige resultaten op, waaronder gedetailleerde visualisaties van stromingspatronen en thermische distributie, en biedt een beter begrip van complexe stromings- en warmteoverdrachtssystemen dan traditionele fysieke testen.

Conclusie

Door gebruik te maken van CFD-simulaties kunnen ingenieurs efficiënt productontwerpen optimaliseren, waardoor de tijd en kosten die gepaard gaan met het maken van fysieke prototypes afnemen. Deze aanpak minimaliseert het risico op fouten, versnelt het ontwikkelingsproces en zorgt ervoor dat het eindproduct klaar is voor massaproductie met verbeterde prestaties en betrouwbaarheid. Mochten er vragen rijzen over waar en hoe te beginnen met CFD, dan staan Same Sky's thermische ontwerpdiensten en reeks van thermische managementcomponenten klaar om te helpen.