Strona główna3DEXPERIENCE Platform3DEXPERIENCE: Chłodzenie układów elektronicznych

3DEXPERIENCE: Chłodzenie układów elektronicznych

3DEXPERIENCE: Chłodzenie układów elektronicznych

Fluid Scenario Creation jest częścią platformy 3DEXPEIRENCE. Program ten służy do przeprowadzania symulacji komputerowych związanych z tematyką mechaniki płynów. Oprogramowanie to pozwala m.in. do optymalizacji chłodzenia układów elektronicznych. Jego zadaniem jest wskazanie wyników symulacji przy jak najkrótszy czasie oczekiwania. Jest to możliwe dzięki wykonywaniu obliczeń w chmurze.

Takie rozwiązanie sprawia, że użytkownik nie musi posiadać komputera z najwyższej półki cenowej. Dodatkowym plusem, o którym trzeba wspomnieć, jest ilość wirtualnych procesorów, które użytkownik może wykorzystać do pracy. Platforma 3DEXPERIENCE pozwala na przeprowadzenie symulacji AŻ NA 144 PROCESORACH! Takie rozwiązanie pozwala na błyskawiczne poznanie wyników.

Poniżej zaprezentowana symulacja ma za zadanie zobrazować możliwości Fluid Scenario Creation w zakresie badań wymian ciepła w układzie elektronicznym. Zostaną zaprezentowane wszystkie kolejne kroki niezbędne do przeprowadzenia symulacji oraz wizualizacja otrzymanych wyników.

Ustawienia symulacji

Wszystkie symulacje przeprowadzane na platformie 3DEXPERIENCE są przeprowadzane według schematu przedstawionego na poniższej ilustracji.

Otwarcie pliku CAD oraz zaimportowanie danych

Przejrzenie modelu elementu skończonego

Stworzenie domeny obliczeniowej

Przypisanie materiałów oraz ich właściwości

Stworzenie siatki obliczeniowej

Ustawienie praw fizyki panujących w symulacji

Przypisanie warunków brzegowych

Przeprowadzenie symulacji oraz wizualizacja wyników

W przypadku tej symulacji, do programu zaimportowano poniższy model CAD. Przedstawia on przykładowy układ elektroniczny zawierający jeden transformator, cztery małe kondensatory, jeden duży kondensator, dwa procesory oraz dwa radiatory. W celu zapewnienia odpowiedniego chłodzenia został zainstalowano także wiatrak. Ponadto każdy z wymienionych wcześniej komponentów jest źródłem ciepła.


Rys. 1 Zaimportowana geometria

Zjawiskiem, które należało zasymulować było przewodzenie w ciałach stałych oraz konwekcja wymuszona. Pierwsze wymienione zjawisko zachodzi poprzez rozpraszanie mocy przy pomocy wymiany ciepła w elementach stałych. Natomiast za drugie zjawisko odpowiada wentylator, który wzmacnia chłodzenie przez wymuszenie przepływu powietrza, co skutkuje wymianą ciepła między ciałem stałym, a płynem.

Po zaimportowaniu modelu do programu, należało wykluczyć wentylator z geometrii biorących udział w symulacji. Krok ten należało wykonać, ponieważ model wiatraka został później dodany w sposób wirtualny. Takie podejście znacznie upraszcza przeprowadzenie symulacji oraz znacznie skraca czas trwania obliczeń.

3DEXPERIENCE Simulation - wykluczenie wentylatora z obszaru domeny obliczeniowej

Rys. 2 Wykluczenie wentylatora z obszaru domeny obliczeniowej

W trakcie ustawień wszelkich ustawień symulacji użytkownik ma do dyspozycji asystenta, który pomaga dopilnować tego, żeby wszelkie ustawienia zostały zaimplementowane poprawnie. Jego zaletą jest czynne informowanie użytkownika o obecny statusie symulacji. Zielona barwa znaczników przy każdej zakładce informuje o poprawnie zdefiniowanej części ustawień.


Rys. 3 Wygląd asystenta

Pierwszą czynnością, którą wykonano było zdefiniowanie domeny obliczeniowej. W tym celu wybrano zakładkę „Model” oraz wybrano odpowiednie opcje. Zakładka „Parts” odpowiada za wybranie geometrii biorących udział w symulacji. W tym przypadku były to wszystkie geometrie zaimportowane do programu, z wyjątkiem wentylatora. Kolejna zakładka „Exterior boundaries” służy do zdefiniowania granic domeny obliczeniowej. Dla tej symulacji owymi granicami były wymiary geometryczne obudowy. Opcja „Regions” jest przeznaczona do wskazania obszaru, który będzie siatkowany, a opcja „Openings” służy do wskazania otworów w geometrii. W badanym przypadku za odcinek dolotowy posłużył wentylator, a jako wylot wybrano otwór znajdujący się za transformatorem. W celu zwizualizowania wybranych otworów, program wskazuje okrąg, w miejscach, które wskazał użytkownik.

3DEXPERIENCE simulation - definiowanie domeny obliczeniowej

Rys. 4 Definiowanie domeny obliczeniowej

3DEXPERIENCE Simulation - wskazanie otworów w badanym modelu

Rys. 5 Wskazanie otworów w badanym modelu

Po zdefiniowaniu domeny obliczeniowej należało przypisać materiały z bazy danych. W tym celu można skorzystać z wbudowanych materiałów, bądź zdefiniować swoje własne materiały. Aby tego dokonać należało wybrać opcję „Fluid Section”. Następnie trzeba było wybrać obiekt, któremu będzie przypisywany materiał, a następnie wybrać materiał.

3DEXPERIENCE Simulation - definiowanie materiałów

Rys. 6 Definiowanie materiałów

W poniższej symulacji, wszystkie materiały zostały wprowadzone do bazy danych i zostały przypisane do obiektów zgodnie z tabelą.

Obiekt Gęstość(kg/m3 Przewodność cieplna(W/(m•K) Ciepło właściwe(J/kg•K Lepkość(Pa•sec)
Płytka PCB 8953 19,25 1000
Procesor 2330 130 712
Radiator 8940 3,98 3,85
Kondensator 3690 18 880
Transformator 2700 167 0,896
Powietrze 1.205 0,026 1006.92 1,85e-5

Tab. 1 Właściwości materiałowe poszczególnych obiektów

Tak zdefiniowane obiekty, pozwoliły w pełni odzwierciedlić rzeczywistość. W celu uzyskania jak najlepszych wyników należało wygenerować siatkę obliczeniową odpowiedniej jakości. Zostało to zapewnione dzięki domyślnemu algorytmowi, który tworzy siatkę z dominacją elementów sześciennych. W celu uchwycenia zjawisk zachodzących przy samych ściankach, program ma możliwość tworzenia warstwy przyściennej o dowolnej szerokości. Ponadto Fluid Scenario Creation umożliwia tworzenie siatek lokalnych, które jeszcze lepiej odzwierciedlają rzeczywistość. W tym przypadku kształt wygenerowanej siatki wyglądał następująco.

3DEXPERIENCE simulation  wygląd siatki obliczeniowej

Rys. 7 Wygląd siatki obliczeniowej

Jak widać siatka jest znacznie gęstsza przy ciałach stałych. Spowodowane jest to stworzeniem siatek lokalnych.

W celu sprawdzenia jakości uzyskanej siatki, użytkownik ma możliwość podglądu tabeli „Quality Report”, która informuje o podstawowych parametrach siatki, takich jak skośność bądź rozciągnięcie.

3DEXPERIENCE Simulation - jakość uzyskanej siatki

Rys. 8 Jakość uzyskanej siatki

Po zaakceptowaniu jakości siatki można przejść do zdefiniowanie typu symulacji, czy ma być to symulacji ustalona w czasie, czy nieustalona. W tym celu należy wybrać zakładkę „Physics” i zaznaczyć odpowiednie cechy modelu.

3DEXPERIENCE Simulation - definiowanie fizyki

Rys. 9 Definiowanie fizyki

Pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę jest wybór zachowania się przepływu. W tym wypadku badany był przepływ w pełni turbulentny. Po wyborze tej opcji należało wybrać w jaki sposób program ma definiować turbulencje. Fluid Scenario Creation oferuje trzy różne modele turbulencji. Są nimi „Realizable k-ε”, „SST k-ω” oraz „Spalart-Allmaras”. Każdy z nich cechuje się swoimi własnymi właściwościami i jest przeznaczony do różnych typów symulacji. W tym wypadku zdecydowano się na opcje „Realizable k-ε”.

Następnie po zdefiniowaniu turbulencji należało zaznaczyć jakie zjawiska fizyczne będą uwzględniane w symulacji. W tym przypadku zdecydowano się na rozszerzenie symulacji jedynie o wymianę ciepła. Nie wybrano modelu radiacji, ponieważ jej wpływ na wymianę ciepła jest znikomy przy konwekcji oraz przy przewodzeniu. Ponadto ze względu na to, że przepływ był wymuszony przez działanie wentylatora, nie zdecydowano się na uwzględnienie grawitacji.

Dla fizyki związanej z ciałami stałymi również zdecydowano się na uwzględnienie wymian ciepła.

Następnie należało zdefiniować jak długo mają trwać obliczenia oraz przy jakich warunkach program należy je zaprzestać

3DEXPERIENCE Simulation - ustawienie długości trwania obliczeń oraz warunków przerywających obliczenia

Rys. 10 Ustawienie długości trwania obliczeń oraz warunków przerywających obliczenia

Kolejnym etapem było podanie warunków brzegowych. Jest to bardzo istotny etap kreowania symulacji, ponieważ to od niego będzie zależeć stabilność uzyskiwanych wyników. Dzięki temu program pozwala na zdefiniowanie warunków brzegowych na kilka sposobów. W tym przykładzie zdecydowano się na podanie nadciśnienia (0 N/m2) oraz temperatury (290 K) na wlocie oraz nadciśnienia na wylocie (0N/m2).

3DEXPERIENCE Simulation - ustawienie warunków brzegowych

Rys. 11 Ustawienie warunków brzegowych

Następnym etapem było przypisanie wszystkim elementom układu elektronicznego mocy ciepła, jaką oddają do otoczenia.

3dexperience simulation - ustawienie źródeł ciepła

Rys. 12 Ustawienie źródeł ciepła

Kolejnym etapem było zdefiniowaniu kontaktu między ciałami stałymi. Zdecydowano się na przypisanie rezystancji termicznej pomiędzy płytką PCB, a wszystkimi elementami płytki w wysokości 0,005 m2*K/W.

3DEXPERIENCE Simulation - ustawienie kontaktu pomiędzy ciałami stałymi

Rys. 13 Ustawienie kontaktu pomiędzy ciałami stałymi

Po zdefiniowaniu tych wszystkich parametrów, zostało zaimplementowanie wirtualnego wentylatora. Do programu zaimportowano dane tabelaryczne przedstawiające charakterystykę wiatraka.

3DEXPERIENCE Simulation - ustawienia wiatraka wirtualnego

Rys. 14 Zdefiniowanie wentylatora wirtualnego

Tak zdefiniowana symulacja był już gotowa do przeprowadzenia obliczeń.

Analiza wyników

Po skonfigurowaniu symulacji i przeprowadzeniu analizy, inżynierowie uzyskują dostęp do wyników symulacji. Wszystkie obliczenia mogą być wykonywane na komputerze lokalnie, bądź w chmurze, gdzie można wykorzystać aż 144 procesory. Pozwala to na bardzo szybkie poznanie wyników symulacji.

Pierwszym wykresem, który ukazuje się użytkownikowi jest wykres konturowy ciśnienia w całej objętości. Jest to przykład wykresu powierzchniowego, który uwidacznia rozkład wyników ciśnienia w całym elemencie.

Zmiana typu wykresu bądź wizualizacja innego parametru wyjściowych jest prosta. Wystarczy poinformować program co nas interesuje. W tym przypadku jest to wykres wektorowy prędkości powietrza w całej objętości. Pozwala to dostrzec, jak przepływa powietrze przez cały obiekt oraz jak skutecznie chłodzi wszystkie elementy.

3DEXPERIENCE Simulation - wykres ciśnień oraz wykres wektorowy prędkości

Rys. 15 Wykres ciśnień oraz wykres wektorowy prędkości

Wykres przekroju pozwala spojrzeć na przekrój poprzeczny modelu w dowolnym miejscu i wybrać szeroki zakres cech, takich jak prędkość czy ciśnienie. Można dynamicznie przenosić wykres przekroju do systemu i przeglądać wyniki w określonym obszarze.

3DEXPERIENCE Simulation - wykres wektorowy prędkości na płaszczyźnie

Rys. 16 Wykres wektorowy prędkości na płaszczyźnie

W celu jeszcze lepszej wizualizacji, użytkownik może dodać dowolne elementy do wizualizacji wyników. Możliwe jest np. dodanie wszystkich obiektów płytki elektronicznej.

3DEXPERIENCE Simulation - dodanie ciał stałych dla lepszego zwizualizowania wyników

Rys. 17 Dodanie ciał stałych dla lepszego zwizualizowania wyników

Poza prędkością i ciśnieniem program pozwala na wizualizację wielu innych zmiennych. Jedną z nich jest wizualizacja temperatury, która stanowi kluczowy parametr w wymianach ciepła. Jak widać na poniższym wykresie większość obszarów jest z przedziału od 290 do 317 K. Świadczy to o tym, że wentylator odpowiednio chłodzi wszystkie elementy.

3DEXPERIENCE Simulation - wykres temperatur na płaszczyźnie

Rys. 18 Wykres temperatur na płaszczyźnie

Pomimo tak licznych metod wizualizacji wyników, program pozwala również na wykreślenie trajektorii przepływu. Dzięki temu narzędziu uzyskuje się niesamowity wgląd w przepływ cieczy i można zobaczyć znacznie więcej niż w przypadku rzeczywistych eksperymentów. Poniższy rysunek przedstawia przepływ powietrza w układzie. Widać, że strugi powietrza docierają do wszystkich zakątków płytki PCB. Skutkuje to tym, że można stwierdzić, że chłodzenie jest na optymalnym poziomie.

3DEXPERIENCE Simulation - wykres linii prądu powietrza

Rys. 19 Wykres linii prądu powietrza

Jak widać, możliwości Fluid Scenario Creation są szerokie i potężne. Dzięki tym właściwościom, Fluid Scenario Creation umożliwia przeprowadzenie współbieżnej symulacji CFD i uzyskanie najlepszego projektu pod względem jakości i wydajności.



Podziel się:

Student Politechniki Warszawskiej na kierunku Mechatronika ze specjalnością Elektroniczne Systemy Pomiarowe. Inżynier numerycznej mechaniki płynów CFD. Prywatnie jestem miłośnikiem jazdy na nartach oraz pływania na windsurfingu. Dodatkowo miłośnik tańca West Coast Swing