Diese Verfahren können an fast allen elektronischen Anwendungen, unabhängig von der Konfiguration, angewendet werden. Auf diese Abschnitte wird in den anwendungsspezifischen Bereichen Bezug genommen.
Blech
Blechbauteile werden in vielen elektronischen Baugruppen eingesetzt. Für eine größere Effizienz sollten Blechbauteile vereinfacht oder entfernt werden. Einige grundlegende Richtlinien schließen unter anderem ein:
- Flachen Sie alle Installationselemente und zugehörige Bohrlöcher ab, es sei denn, sie sind wichtig für den Wärmestrompfad .
- Entfernen Sie Reißecken und Knickschutztüllen
- Ändern Sie den Biegeradius auf 0, um scharfe Ecken zu erzeugen.
- Entfernen Sie eventuelle Lücken an überlappenden Laschen.
- Ersetzen Sie Perforationsmuster durch einfache Geometrie und einen verteilten Bereich:
- Ein Beispiel für ein vereinfachtes Blechbauteil:
- In den meisten Fällen sind Blechbauteile, die mit Hilfe von CAD-Blechdesign-Features und -Tabellen hergestellt wurden, nicht zu empfehlen.
- Blechelemente wie Ecken und Biegeradien können nicht entfernt werden und führen oft zu viel zu großen Netzen. Dies kann zu längeren Analysezeiten und geringerer Lösungseffizienz führen.
- Die empfohlene Vorgehensweise ist die Erstellung von Blechbauteilen als Festkörper in CAD. Sparen Sie alle Details, die für die Strömungs- und die thermische Simulation nicht relevant sind, aus.
Erstellen des Volumenstroms
In vielen der unten aufgeführten Konfigurationen wird ein Luftvolumen um die Vorrichtung erstellt.
Es gibt zwei Möglichkeiten zum Erstellen des umgebenden Strömungsvolumens:
- Erstellen Sie es im CAD-Modell.
- Wenn die Installation eine Fläche des Bereichs berühren muss, wird diese Herangehensweise empfohlen.
- Eine gute Methode ist die Erstellung einer Kavität um die Installation. Dieser Bereich wird automatisch gefüllt, wenn das Modell gestartet wird, und wird mit einem Netz versehen. Er dient als Netzverfeinerungsbereich, und da er die Interferenz zwischen der Installation und dem umgebenden Luftvolumen aufhebt, werden die Namen der Teile nicht geändert.
- Verwenden Sie das Außenvolumen-Geometrie-Werkzeug in Autodesk Simulation CFD.
- Dadurch erübrigt sich das Hinzufügen eines "Luft"-Teils im CAD-Modell.
- Diese Methode sollte nicht verwendet werden, wenn die Installation eine Seite des Luftvolumens berühren muss (wie in der Konfiguration mit der Wandmontage).
Eine nützliche Methode, mit der die Modellgröße und die Analysezeit reduziert werden kann, ist die Nutzung der Symmetrie. Wenn das Bauteil zur Hälfte - oder sogar zu einem Viertel - symmetrisch ist, kann die Gesamtgröße des Modells erheblich reduziert werden. Weitere Informationen über Symmetrie.
Materialvorrichtungen
Verwenden Sie Materialvorrichtungen zur Simulation von Komponenten, die oft in elektronischen Geräten eingesetzt werden. Sie bieten eine effiziente Methode, um die Wirkung des physischen Geräts zu simulieren, ohne die Komplexität des Netzes und des Analysemodells zu erhöhen.
- Zum Simulieren eines Bildschirms oder eines Leitblechs verwenden Sie das Material Verteilter Widerstand.
- Zum Simulieren einer Leiterplatte verwenden Sie das Material Leiterplatte.
- Zum Simulieren eines Axialventilators verwenden Sie das Material Interner Lüfter.
- Zum Simulieren eines kompakten thermischen Modells verwenden Sie das Material CTM.
- Zum Simulieren eines thermoelektrischen Geräts verwenden Sie das Material TEC.
- Zum Simulieren eines Wärmetauschers verwenden Sie das Material Wärmetauscher.
Kühlkörper und -rohre können ebenfalls mit Hilfe einfacher Geometrie simuliert werden, nachdem die Strömungs - und Wärmeeigenschaften festgelegt wurden.
Eine andere Möglichkeit zum Simulieren von Luft in schmalen Lücken und Bereichen bietet das Material "Luft unbewegt".
Bei äußerst schmalen abgegrenzten Flächen wird die Wärmeübertragung größtenteils anstatt von Konvektion von Wärmeleitung beeinflusst. Bei einigen Anwendungen besteht die Möglichkeit, die Wärmeübertragung genau simulieren zu können, ohne die Strömung berechnen zu müssen. Dies bringt bedeutende Vorteile:
- Schnellere Analysen: Da nur die Wärmeleitung in der Lücke berechnet wird, wird anstelle von fünf jedes Mal nur eine Gleichung pro Iteration gelöst. (Bei der üblichen Herangehensweise werden sowohl Wärmeleitung als auch Konvektion pro Iteration berechnet.)
- Kleinere Simulationsmodelle: Das Netz ist kleiner, da in Festkörpern keine Netzverfeinerungsschichten erstellt werden.
- Bei sachgemäßer Anwendung ist durchgehende Genauigkeit mit der wirklichen, natürlichen Konvektionslösung gewährleistet.
- Netzunabhängige Wärmeleitungslösungen sind häufig einfacher zu erreichen als netzunabhängige Strömungslösungen.
Anwendungen
Diese Methode kann für Geräte mit schmalen Abgrenzungen oder für eine zielgerichtete Simulation auf der Grundlage von schmalen Lücken zwischen den Komponenten verwendet werden. Beispiele:
- Router
- Abstand zwischen zwei Schaltkarten
- Abstand zwischen einem Gehäuse und einer Leiterplatte
- Abstand zwischen einer Blechtrennwand und einer Leiterplatte
Modellierungsstrategie
Ein Festkörpermaterial mit den thermischen Eigenschaften von Luft ist in der Materialdatenbank enthalten. Dieses Material wird als Luft unbewegt bezeichnet. Wählen Sie es aus der Liste der Festkörper im Schnellbearbeitungs-Dialogfeld Materialien aus.
Wird ausgeführt
- Strömung = Ein
- Wenn die Komponententemperaturen relativ hoch sind, Strahlung = An (Strahlung hat häufig eine stabilisierende Wirkung. In manchen Modellen führt die Vernachlässigung der Strahlungsauswirkungen zu bis zu 20 % höheren Temperaturen als die tatsächlichen Werte.) Es wird deshalb empfohlen, 200 Iterationen ohne Strahlung auszuführen, die Strahlung anschließend zu aktivieren und fortzufahren. Dies verkürzt die Analysezeit und gibt einen Einblick in die Auswirkungen von Strahlung. Stellen Sie sicher, dass Sie das geeignete Emissionsvermögen-Material festlegen. Weitere Informationen über die Modellierung von Strahlung.
Beispielergebnisse
Die Bilder auf der linken Seite zeigen die Temperaturen aus einer Strömungs- und Wärmeanalyse. Die Bilder auf der rechten Seite zeigen Temperaturen aus einer "Feste Luft"-Analyse:
Wann ist diese Herangehensweise angebracht?
Die Rayleighzahl beschreibt den Übergangspunkt. Qualitativ betrachtet ist die Rayleighzahl das Verhältnis zwischen Auftriebskräften und viskosen Kräften. Die Auftriebskräfte verursachen Luftbewegungen, viskose Kräfte stellen sich ihnen entgegen. Die Rayleighzahl wird berechnet aus:
Der Übergang von Wärmeleitung zu Konvektion, die kritische Rayleighzahl wurde bestimmt als:
- Horizontal: Ra(kritisch) = 1708
- Vertikal: Ra(kritisch) = 1000
Beispiel:
Ein elektronisches System hat einen Temperaturunterschied von 10 Grad und die folgenden Parameter:
Die resultierenden kritischen Dickenwerte sind:
- Horizontal: H = 13.7 mm
- Vertikal: H = 11.5 mm
Bei 10 Grad Temperaturunterschied kann die Luft in einer horizontalen Abgrenzung, die 13.7 mm oder weniger dick ist (oder in einer vertikalen Abgrenzung, die 11.5 mm oder weniger dick ist) wie ein Festkörper mit Eigenschaften von Luft modelliert werden.
Berechnung des kritischen Abstandes für andere Temperaturunterschiede
Die Rayleighzahl kann verwendet werden, um zu zeigen, dass der Temperaturunterschied proportional zur dritten Potenz des Abstandes ist. Die für einen Temperaturunterschied von 10 Grad berechneten Werte können zur Berechnung von Abständen für unterschiedliche Temperaturunterschiede verwendet werden. Führen Sie dazu folgende Schritte aus:
Genauigkeitsstudie
Um die Genauigkeit dieser Herangehensweise zu ermitteln, wurde eine Studie durchgeführt, in der der Abstand im Bereich zwischen 8 und 20 mm verändert und anschließend unter Einsatz beider Methoden berechnet wurde. Unterhalb des kritischen Abstandes ist die Übereinstimmung zwischen Auftriebskraft und "Fester Luft" relativ gut. Oberhalb des kritischen Abstandes nimmt die Übereinstimmung aufgrund der größeren Rolle von Konvektion als Wärmeübertragungsweg, wie erwartet, ab.
Vernetzungsstrategien
Richten Sie das Netz auf den Bereich aus, sodass die geometrischen Details des Geräts modelliert und die Strömungs- und Wärmeverläufe um die Installation herum numerisch repräsentiert werden.
Eine Erweiterung dieses Verfahrens ist die Verschachtelung mehrerer Bereiche um das Gerät herum. Erstellen Sie diese Bereiche im CAD-Modell, da Verfeinerungsbereiche in der Autodesk Simulation CFD-Aufgabe "Netz" diese Methode nicht unterstützen. Dieses Konzept wird veranschaulicht:
Die Netzverteilung ist im innersten Bereich am feinsten und richtet den Fokus des Netzes dorthin, wo die Gradienten am höchsten sind. Da dieser Bereich im Vergleich zur Berechnungsdomäne klein ist, wird dieses hochdichte Netz nicht weit übertragen; dadurch kann die Netzanzahl insgesamt nicht zu groß werden. Die Netzverteilung im zweiten verschachtelten Bereich ist etwas gröber, und das Netz im Rest der Domäne ist noch gröber. Mit diesem Ansatz werden Elemente effizient nur dort konzentriert, wo sie am dringendsten benötigt werden, wodurch Vernetzungs- und Lösungsressourcen effizient eingesetzt werden.