Il ruolo della fluidodinamica computazionale nell'elettrotecnica

Nel campo dell'elettrotecnica, la gestione dei sistemi di trasferimento del calore e di raffreddamento è fondamentale per garantire affidabilità ed efficienza. Sperare e ipotizzare risultati è poco pratico, mentre procedere per tentativi è costoso e inefficiente. Concettualizzando il calore come un fluido, gli ingegneri possono utilizzare un approccio di modellazione preciso e realistico. La fluidodinamica computazionale (CFD) è emersa come strumento fondamentale per analizzare e risolvere le sfide della gestione termica, consentendo ai team di esplorare soluzioni e ridurre i rischi prima di investire in risorse fisiche. Questo articolo fornirà una panoramica generale della CFD, compreso il suo funzionamento e i suoi vantaggi nella progettazione elettronica.

Principi base della CFD

La CFD utilizza algoritmi numerici per risolvere complesse equazioni differenziali parziali non lineari che regolano la meccanica dei fluidi e il trasferimento di calore. Questi calcoli creano modelli tridimensionali dettagliati, che rappresentano accuratamente le dinamiche spaziali e temporali dei sistemi fisici. Questo metodo consente agli ingegneri di ottenere informazioni realistiche senza dover sostenere i costi elevati di un allestimento sperimentale.

La CFD trasforma l'analisi termica simulando le interazioni tra fluidi e solidi e valutando il comportamento convettivo dei fluidi circostanti. Questa tecnica integra i tre metodi primari di trasferimento di calore - conduzione, convezione e irraggiamento - nelle simulazioni del flusso dei fluidi. In questo modo si ottengono valutazioni complete del comportamento termico, indispensabili nelle applicazioni di elettrotecnica.

La maggior parte dei software CFD è progettata per applicazioni generiche, per modellare fenomeni come il trasferimento di calore, il flusso d'aria, i cambiamenti di fase e altro ancora. Tuttavia, sono disponibili strumenti CFD specializzati che si concentrano specificamente sul trasferimento di calore, in particolare all'interno di dispositivi elettronici, dove la modellazione accurata del comportamento termico è fondamentale per garantire prestazioni e affidabilità. A differenza degli strumenti CFD generici, queste soluzioni di nicchia ottimizzano i processi adattando le funzioni ad applicazioni specifiche. Ad esempio, un software dedicato può modellare pacchetti di circuiti integrati, schede a circuiti stampati, dissipatori, tubi di calore e ventole. Una capacità chiave è quella di determinare il punto di funzionamento di una ventola di raffreddamento in base alla resistenza calcolata del sistema, garantendo un flusso d'aria sufficiente senza un inutile consumo energetico. I dati aggiuntivi dell'analisi termica CFD possono includere:

• Campi e modelli di flusso d'aria: conoscere il comportamento del flusso d'aria intorno ai componenti elettronici
• Portate di flusso termico: quantificare l'intensità del trasferimento di calore attraverso le superfici
• Identificazione dei punti caldi: rilevamento di regioni localizzate di calore eccessivo
• Distribuzione della temperatura: mappatura dei gradienti termici nei sistemi
• Portate di trasferimento di calore: valutazione dell'efficienza dei meccanismi di raffreddamento

Questi dati consentono agli ingegneri di ottimizzare i progetti per un'efficace dissipazione del calore, migliorare le strategie di raffreddamento e prevenire i guasti termici. Queste conoscenze sono fondamentali per mantenere l'affidabilità del sistema e prolungare la durata prevista dei dispositivi elettrici.

Figura 1: Esempio di analisi CFD. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Come funziona la CFD

La fluidodinamica computazionale si basa su tre principi fondamentali derivati dalla fisica: la conservazione della massa, la conservazione della quantità di moto e la conservazione dell'energia. Questi principi sono espressi matematicamente attraverso le equazioni di Navier-Stokes. Quando un modello CFD è configurato correttamente sulla base di queste equazioni e converge verso una soluzione, soddisfa intrinsecamente le leggi fisiche fondamentali, garantendo l'affidabilità dei risultati.

Un'analisi CFD standard comporta in genere tre processi principali. Tuttavia, ulteriori fasi - sia preliminari che di post-elaborazione - possono migliorare significativamente la completezza e l'accuratezza dell'analisi.

Figura 2: La CFD prevede tre fasi di elaborazione principali. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Prima di iniziare un'analisi CFD, il problema deve essere formulato come un sistema di equazioni differenziali parziali. Questa fase di partenza è fondamentale perché definisce le equazioni che determinano i risultati - tipicamente basate sulle equazioni di Navier-Stokes - che descrivono i fenomeni fisici oggetto di studio. Questa fase garantisce che il modello matematico rappresenti accuratamente il comportamento fisico del problema, fungendo da punto di partenza per l'analisi CFD.

1. Fase di pre-elaborazione: nella fase di pre-elaborazione, il software CFD converte le equazioni differenziali parziali in equazioni algebriche discrete. Un'attività fondamentale di questa fase è la generazione delle mesh, in cui il dominio di calcolo viene suddiviso in elementi strutturati o non strutturati (ad esempio, triangoli, quadrilateri o tetraedri).

   L'affinamento delle dimensioni degli elementi che compongono la mesh nelle regioni critiche del campo di flusso, in particolare in prossimità dei confini o delle aree ad alto gradiente, garantisce una rappresentazione più accurata dei fenomeni fisici. Questa fase incide direttamente sulla qualità e sulla precisione dei risultati della simulazione.

2. Fase di elaborazione: durante la fase di soluzione, il software di simulazione CFD risolve numericamente le equazioni algebriche generate nella fase di pre-elaborazione. Il processo di simulazione è fortemente influenzato da diversi fattori che determinano il tempo di calcolo e la precisione, tra cui:
   • Capacità hardware del computer, come velocità del processore e memoria
   • Tecniche di vettorizzazione e parallelizzazione che ottimizzano la velocità di calcolo
   • Strutture di dati, per una gestione efficiente dei dati
   • Criteri di arresto, che definiscono la convergenza e il completamento della simulazione
   • Dimensione e qualità della mesh e risoluzione temporale per le simulazioni transitorie
   • Linguaggio di programmazione, che influisce sull'efficienza e sull'esecuzione del codice

   Gli ingegneri possono anche regolare vari parametri di simulazione per ottimizzare l'analisi per una data applicazione.

3. Fase di post-elaborazione: la fase di post-elaborazione si concentra sull'analisi e sull'interpretazione dei risultati della simulazione. I dati della simulazione CFD sono estratti e visualizzati attraverso immagini, grafici e tabelle, fornendo informazioni sui vari parametri. Sulla base di questi risultati, gli ingegneri possono stabilire se sono necessari ulteriori test, ottimizzazioni o riprogettazioni. La post-elaborazione efficace è fondamentale per comunicare i risultati e identificare i passi da compiere, sia per convalidare il progetto, sia per migliorare le prestazioni del sistema, sia per risolvere i problemi.

Risolvere i punti caldi termici

Le simulazioni CFD forniscono un alto livello di precisione e preziose intuizioni rispetto agli esperimenti fisici, in particolare in sistemi di flusso complessi in cui l'individuazione dei punti caldi termici è impegnativa. I punti caldi termici sono regioni localizzate con temperature significativamente più elevate rispetto all'ambiente circostante. Se non vengono affrontati, questi punti caldi possono portare ad un accumulo termico nel tempo, con conseguenti esiti gravi come malfunzionamenti del sistema, guasti o danni irreversibili al prodotto. Questi problemi possono compromettere la longevità dei dispositivi elettronici e potenzialmente mettere a rischio la sicurezza degli utenti.

Utilizzando le simulazioni termiche CFD, gli ingegneri possono prevedere e visualizzare con precisione la distribuzione termica all'interno del progetto di un prodotto. Questa capacità consente di identificare precocemente i potenziali punti caldi termici. Grazie a queste informazioni, è possibile apportare modifiche mirate al progetto, come il potenziamento dei meccanismi di dissipazione del calore, l'ottimizzazione delle proprietà dei materiali o la riconfigurazione dei percorsi del flusso d'aria, per evitare un accumulo eccessivo di calore. Di conseguenza, il sistema diventa più resistente alle sollecitazioni termiche, riducendo la probabilità di danni e prolungando la sua vita operativa.

Risparmio di costi e tempo con la CFD

Gli ingegneri puntano costantemente a sviluppare prodotti elettronici più performanti, ma la decisione di procedere alla produzione di massa dipende spesso dai risultati di rigorosi test sul mondo reale. La progettazione elettronica moderna è sempre più intricata, con prodotti sempre più compatti e che richiedono ingenti investimenti in termini di tempo e risorse per sviluppare anche un solo prototipo. Una volta prodotto, il prototipo viene sottoposto a test di deformazione termica per valutarne la durata, le proprietà fisiche e le prestazioni reali. Solo i prototipi che superano questi test passano alla produzione di massa, mentre il fallimento comporta la perdita completa dell'investimento iniziale.

La CFD offre una potente alternativa, simulando le condizioni reali su modelli virtuali di prodotti elettronici. Grazie alla CFD, gli ingegneri possono effettuare analisi del trasferimento di calore sui loro progetti, identificando i problemi termici e perfezionando il modello senza dover ricorrere a prototipi fisici. Questo processo di simulazione iterativa fornisce risultati precisi, comprese visualizzazioni dettagliate dei modelli di flusso e della distribuzione termica, offrendo una comprensione più approfondita di sistemi complessi di flusso e trasferimento di calore rispetto ai test fisici tradizionali.

Conclusione

Sfruttando le simulazioni CFD, gli ingegneri possono ottimizzare in modo efficiente i progetti dei prodotti, riducendo i tempi e i costi associati alla prototipazione fisica. Questo approccio riduce al minimo il rischio di guasti, accelera il processo di sviluppo e garantisce che il prodotto finale sia pronto per la produzione di massa con prestazioni e affidabilità migliorate. Se dovessero sorgere dubbi su dove e come iniziare con la CFD, i servizi di progettazione termica e la gamma di componenti per la gestione termica di Same Sky sono pronti ad aiutarvi.