новости

Сеть теплового сопротивления и моделирование CFD: инженерная методология количественного проектирования радиаторов

Во-первых, от одномерной сети теплового сопротивления к трехмерному температурному полю

Отправной точкой конструкции радиатора часто является схема сети теплового сопротивления. Путь тепла от соединения чипа к окружающему воздуху разлагается на: соединение с оболочкой (Rhtjc, внутреннее сопротивление чип-пакета), оболочка с радиатором (Rhtcs, TIM тепловое сопротивление), радиатор с окружающей средой (Rhtsa, конвекция + излучение). Среди них Rhtsa может быть разложена на диффузионное тепловое сопротивление подложки радиатора (Rhtspread), одномерное теплопроводное тепловое сопротивление ребер (Rhtfin) и конвективное тепловое сопротивление (Rhtconv). Модель серии: общее тепловое сопротивление = Rhtjc + Rhtcs + Rhtfin + Rhtconv.

Этот централизованный метод параметров быстр и эффективен в первоначальных оценках, но самый большой недостаток заключается в том, что он предполагает равномерное распределение температуры, когда на самом деле существует сильный 2D / 3D-эффект термодиффузии на подложке под чипом. Для продвинутых чипов с локальным тепловым потоком до 200 Вт / см ² диффузионное тепловое сопротивление может доминировать и даже приводить к образованию "горячих точек" в подложке, в результате чего локальная температура намного выше средней. В настоящее время необходимо полагаться на моделирование CFD.

Основные уравнения моделирования вычислительной гидродинамики

CFD решает три связанных уравнения с частными производными:

1. Уравнение непрерывности
   (Сохранение массы): Бы / Бы + ∇ · (ρ u) = 0
   

2. Уравнение импульса
   (Навье-Стокс): ∂ (ρu) / ∂ t + ∇ · (ρuu) = - ∇ p + ∇ · (τ) + ρg
   

3. Энергетическое уравнение
   : ∂ (ρh) / ∂ t + ∇ · (ρuh) = ∇ · (k ∇ T) + S _ h
   

Для теплопроводности в теплоотводе уравнение энергии сводится к уравнению твердой теплопроводности (с нулевым конвективным членом). Для воздушной области необходимо решить полную модель турбулентности (наиболее распространенную модель k-ε или более продвинутую модель SST k-ω), чтобы точно зафиксировать скорость и температуру в пристеночном пограничном слое, поскольку
80% коэффициента конвективного теплообмена зависит от вязкого подслоя в пограничном слое толщиной всего несколько десятков микрон
。

III. Ansys Icepak: Облицовка сложных поверхностей и мультифизика

Icepak основан на Fluent solver и использует неструктурированную сетку (тетраэдрический / шестигранный сердечник), которая легко адаптируется к изогнутым геометриям (например, круглые ребра, воздуховоды специальной формы). Уникальное преимущество Icepak заключается в том, что ее можно легко соединить с Ansys Mechanical и Maxwell для electro-thermal-structural трехполевого анализа. Например, радиаторы в мощных ВЧ усилителях должны учитывать как пространственно распределенный источник тепла, генерируемый электромагнитными потерями (от Maxwell), так и изменение контактного теплового сопротивления, вызванное термической деформацией (от механического), и оценку усталостного ресурса при переходных тепловых циклах. Это сопряженное моделирование гораздо более точно, чем изолированный термический анализ.

В качестве стратегии создания сетки Icepak рекомендует создавать призматические сетки на границе раздела твердая жидкость, по крайней мере, 3-5 слоев, для разрешения температурного слоя пограничного слоя. Для типичных теплоприемников ЦП сетки обычно составляют 5-20 миллионов, а время решения составляет около 2-4 часов на 16-ядерной рабочей станции.

FloTHERM: король эффективности, ориентированный на электронное тепловыделение

Simcenter FloTHERM использует декартовы сетки (ортогональные сетки), которые генерируются почти мгновенно без вмешательства пользователя. Хотя аппроксимация криволинейной геометрии дает ступенчатую ошибку, эту ошибку можно контролировать в пределах допустимого для техники диапазона для радиаторов с плоским ребром, обычно встречающихся в бытовой электронике (

ФЛОТЕРМ
Командный центр
Модуль обладает мощными возможностями DOE (Design of Experiments) и оптимизации. Инженеры могут определять объективные функции (минимальное тепловое сопротивление или минимальный вес), устанавливать конструктивные переменные (высота ребра, интервал, толщина, скорость вентилятора) и позволять программному обеспечению автоматически итерировать сотни симуляций, чтобы найти законы нескольких жизненно важных границ. Этот процесс практически невозможно сделать вручную.

V. Ключевые ловушки для моделирования граничных условий

Точность моделирования сильно зависит от подлинности входных граничных условий. Вот три распространенных недостатка:

1. Ошибка допущения источника тепла
   : Упростите чип как однородный источник поверхностного тепла, игнорируя распределение нескольких точек доступа внутри него. Передовая практика состоит в том, чтобы использовать карту распределения мощности, предоставленную производителем чипа, или откалибровать ее путем измерения термопары.
   

2. Естественная конвекция не активирует гравитационный член
   При естественном конвекционном охлаждении единственной движущей силой является плавучесть. Без активации гравитационного члена и установки плотности воздуха в приближении Буссинеска результаты моделирования неправильно предсказывают, что поток небольшой, а температура необычно высока.
   

3. Радиация игнорируется или переоценивается
   : Когда температура поверхности ниже 100 ° C, излучение обычно составляет всего 5-15% от общей диссипации тепла, что можно упростить. Но если поверхность почернеет с высокой излучательной способностью (излучательная способность > 0,9), а скорость воздушного потока чрезвычайно низка (
   

Шесть, проверка независимости сети и критерии конвергенции

Любое моделирование CFD должно быть проверено на независимость сетки перед формальным анализом. Метод работы: сгенерируйте три набора грубой, средней и тонкой сетей (количество сетей отличается как минимум в 2 раза) и рассчитайте температуру ключевых местоположений (например, температуру перехода чипа). Различия между результатами сетки и тонкой сетки

Критерии конвергенции обычно устанавливаются следующим образом: энергетические остатки падают ниже 1e-6, импульсные остатки падают ниже 1e-4, а изменения температуры точки мониторинга составляют менее 0,01 ° C в течение 100 последовательных итераций.

VII. Калибровка по замкнутому циклу от моделирования до тестирования

Моделирование никогда не бывает таким же, как физическая реальность. Наиболее строгий процесс разработки: тепловое моделирование дизайна открытого образца производства пресс-формы, тепловое испытание (с использованием тепловизионной камеры и термопары), сравнительный тест и моделирование отклонений, калибровка параметров моделирования (таких как корреляция конвекции воздуха, отклонение толщины TIM), коррекция дизайна, вторичная проверка. После двух циклов замкнутого цикла разность температур между моделированием и тестом можно контролировать в пределах ±3 ° C. Эта калибровочная база данных является основным ресурсом знаний предприятия.

VIII. Вывод

Тепловое моделирование произвело революцию в парадигме проектирования радиаторов, перейдя от "experience-plus-test" к "прогностическому дизайну". Но программное обеспечение - это всего лишь инструмент, и настоящий опыт заключается в настройке правильной физической модели, точной интерпретации результатов моделирования и постоянной калибровке модели путем тепловых испытаний. В будущем, с распространением моделирования с помощью ИИ и высокопроизводительных вычислений в облаке, станет возможным тепловое моделирование в реальном времени (Digital Twin) - каждый радиатор будет иметь своего цифрового двойника, который отражает рабочую температуру в реальном времени и предсказывает оставшуюся жизнь.

BQUQ является профессиональным производителем металлических радиаторов, пожалуйста, пришлите нам чертежи, и наша компания процитирует вас в течение 12 часов.