Tokovna analiza termalnih komponent je v sodobnem inženirskem svetu ključna, ker omogoča natančno razumevanje prenosa toplote in učinkovitosti hlajenja v napravah. S tem se preprečijo pregrevanja, podaljša življenjska doba komponent ter zagotovi zanesljivo delovanje pri vse večjih zmogljivostih in manjših dimenzijah izdelkov. Poleg tega omogoča optimizacijo zasnove, zmanjšanje porabe energije, stroškov hlajenja ter prispeva k trajnostnim in inovativnim rešitvam v elektroniki, avtomobilski industriji in energetiki.
Vezan prenos toplote predstavlja kombinacijo prevoda toplote skozi trda telesa, ter oddajanje toplote na okoliško tekočino oz. zrak skozi sevanje in prenos. Sprememba v temperaturi okoli vročih komponent pogosto pripelje do kroženja zraka, kar pa je potrebno zavzeti v simulacijo, če želimo uspešno konstuirati hladilne pogoje in sisteme. Te tipi simulacij se največkrat pojavljajo v sklopu z električnimi komponentami, kot so ohišja računalnikov, modemi ali pa manjših PCB modulov.
Model
Na sliki je razviden poenostavljen model geometrije škatle, ki vsebuje električne komponente, ki generirajo toploto in hladilni sistem. Pomembne komponente vključujejo čipe (modro), kondenzatorje (zeleno), transformator (svetlo modro) in toplotne prenosnike (rdeče). Celoten sistem je hranjen v škatli, ki ima odprtine za hlajenje, a je zaradi preglednosti komponent skrita.
Priprava modela
Priprava geometrije za konjugirano toplotno–tokovno (CHT) simulacijo se začne z idealizacijo modela, kjer je prvi korak izločitev trdnih in fluidnih volumnov. S pomočjo orodja Idealize Geometry v asistentskem meniju se definirajo pokrovi (lids) za zapiranje odprtin pri notranjem toku ali ovojnice (enclosures) za zunanje tokove.
Nato s funkcijo Conformal Volumes ustvarimo skladne volumne, ki omogočajo hkratno ekstrakcijo trdnih in fluidnih domen. Pri tem je potrebno določiti podporne geometrije (support), ki se pretvorijo v ustrezne volumne, ter po potrebi uporabiti omejitveno ovojnico za zunanje tokove. Takšen pristop zagotavlja ustrezno pripravljeno računalniško domeno za nadaljnjo simulacijo prenosa toplote in toka.
Nastavljanje simulacije
Za prepihovanje prostora skrbi ventilator, ki ima določeno karakteristiko obratovanja. Ker želimo proces modelirati kar se da natančno, jo lahko predpišemo direktno v meniju za določitev robnih pogojev, ali pa kot excel datoteko, ki jo uvozimo v program. To nam omogoča tudi modeliranje naprednih pojavov, kot so časovno odvisne simulacije zagona električnega modula, ali pa spremenljivo prezračevanje.
Prav tako moramo v nastavljanju simulacije definirati vire in ponore toplote. Ker je sestava modula precej enostavna, hitro razberemo, da bosta glavna vira toplote čipa, ki se nahajata pod izmenjevalcema toplote.
Ko smo pravilno predpisali robne in začetne pogoje, po potrebu definirali mrežo ter nastavili simulacijske pogoje, lahko simulacijo poženemo. Ker je geometrija preprosta, simulacija traja 5 minut.
Rezultati
V aplikaciji physics results explorer si lahko ogledamo več vrst površinskih prikazov ter 2D grafov, ki nam služijo za dobro vizualizacijo rezultatov.
Na prikazani sliki so rezultati stacionarne analize razdeljeni v različne grafe in prikaze, ki omogočajo celovit vpogled v obnašanje modela. Posamezni prikazi predstavljajo:
- Velocity – prikaz hitrosti toka v domeni.
- Velocity Vector – vektorski prikaz smeri in intenzitete hitrosti.
- Gauge Pressure – merilni tlak glede na referenčni tlak okolice.
- Absolute Pressure – absolutni tlak, ki vključuje referenčni tlak.
- Temperature – porazdelitev temperature po domeni.
- Undeformed Model – prikaz geometrije brez deformacij, za referenco.
- Bad Elements Indicator – označevanje problematičnih elementov mreže.
- Velocity Vector (drugi) – dodatni vektorski prikaz hitrosti za drugo ravnino ali merilni pogoj.
- XY Plots – grafi v obliki krivulj, npr. hitrost ali temperatura po določeni poti.
- Streams – tokovnice, ki prikazujejo smer in obnašanje toka v prostoru.
- Display Groups – prilagojene skupine za selektivni prikaz delov modela.
Temperaturni graf lahko prilagajamo glede na položaj po z-osi, kar nam omogoča da analiziramo temperature po vseh prerezih. Spodaj je prikazana primerjava prereza prek meje med čipom in toplotnimi izmenjevalci in prerezom nad toplotnimi izmenjevalci.
Za bolj poglobljeno analizo lahko v aplikaciji prikažemo tudi vektorski prikaz tokovnega polja. To nam omogoča indentifikacijo možnih zastojev fluida, ter kasnejše optimiranje geometrije komponent in njihovo postavitev.
Prav tako pa lahko s pomočjo ukaza streamlines prikažemo temperaturno in tokovno polje hkrati.
Opazimo določeno količino vrtinčenja, kar nam pove, da bi lahko postavitev komponent in vhodnih/izhodnih odprtin dodatno spremenili, ter tako dosegli boljše hlajenje. Za dimenzioniranje ustreznega sistema pa potrebujemo tudi maksimalno temperaturo, ki se pojavi. To lahko poiščemo z orodjem Max/Min na konturnem grafu za temperaturo.
Opazimo, da se najvišja temperatura pojavi na enem od čipov, in sicer 88 stopinj celzija.
Nadgradnja z tranzientno simulacijo
V tem primeru bi tranzientna opcija predstavljala način simulacije, kjer čas postane ključen dejavnik pri analizi. Namesto opazovanja le stacionarnega stanje sistema, tranzientna analiza omogoča spremljanje fizikalnih veličin, kot so tlak, temperatura ali hitrost toka, ki se spreminjajo skozi čas. Tak pristop je posebej uporaben pri simulacijah zagona naprav, nenadnih sprememb obratovalnih pogojev ali dinamičnih pojavov, kjer nas zanima celotna časovna odzivnost sistema in ne le končno stabilno stanje
Na voljo nam je spremenljivo delovanje ventilatorja ter računanje toka skozi čas, treba pa je pojasniti, da vsaka sprememba pripomore k večanju računskega časa.
Zopet lahko prikažemo posebo pot tokovnic zraka pri zagonu sistema:
Prav tako opazimo še hladne kondenzatorje in transformator, saj gre za simulacijo ob zagonu.
Tokovna analiza jasno potrjuje pomen celostnega pristopa pri načrtovanju termalno obremenjenih komponent in sistemov. Z dobljenimi rezultati pridobimo ne le vpogled v temperaturne profile posameznih elementov, temveč tudi v obnašanje zračnega toka in morebitne kritične točke, kjer se pojavljajo lokalni zastoji ali vrtinčenja. Takšne informacije so ključne za pravočasno prepoznavo pomanjkljivosti zasnove ter omogočajo inženirjem, da ciljno izboljšajo geometrijo ohišja, položaj komponent ali strategijo hlajenja.
Prikazane metode analize prispevajo k učinkovitejšemu dimenzioniranju hladilnih sistemov, zmanjševanju tveganja pregrevanja ter posledično k večji zanesljivosti in daljši življenjski dobi izdelka. Obenem pa odpirajo prostor za nadaljnjo optimizacijo, saj omogočajo primerjavo različnih konstrukcijskih rešitev že v zgodnjih fazah razvoja, brez potrebe po dragih fizičnih prototipih. Na ta način tokovna analiza ne služi le kot diagnostično orodje, temveč kot pomemben strateški korak k razvoju trajnostnih, energetsko učinkovitih in inovativnih izdelkov.
Če vas zanima več o dimenzioniranju hlajenja komponent, nas kontaktirajte prek elektronske pošte (info@ib-caddy.com) ali pa prek telefona (01) 566 12 55.
Vir modela: Dassault Systemes