CFDによる熱シミュレーションの実施方法

当社では以前、数値流体力学について、それが何なのか、その利点、電子機器の熱解析におけるそのアプリケーションが熱テストのコストをどのように大幅に削減するかについて議論することで紹介してきました。このCFD熱解析のプロセスには、設計者がさまざまな条件にわたって設計内の熱問題を評価できるシステムモデルの作成が含まれます。CFD熱解析の注目すべき利点の1つは、実際の結果に非常に似た結果を提供する能力です。この解析モデルでは、材料の温度依存性、流体の特性（空気、水、その他のクーラントなど）、接触条件、および追加の構造的および環境的な非線形性を含む複数の要因を考慮します。

CFD熱解析を活用することで、設計者は熱属性とフロー属性を設計ジオメトリに直接割り当て、最適化を促進できます。これにより、設計者はさまざまな材料、エネルギー、乱流モデルを実験し、開発前に最大限の熱除去のための最適な組み合わせを特定することができます。プロトタイプテストに基づく熱故障や設計の手直しに関連する膨大なコストを考慮すると、設計プロセスの初期段階で包括的なCFD熱解析を組み込むことが依然としてベストプラクティスです。

CFDによる熱シミュレーションの実施には、問題形成、数学的モデリング、境界条件の確立、メッシュ生成による前処理、CFDソフトウェアを使用したシミュレーションの実行、結果の解釈と解析のための後処理など、いくつかの重要なステップが含まれます。これらのステップについて以下に詳細に説明します。CFDによる熱シミュレーションプロセスを包括的に理解してください。Check out other blog posts from our thermal simulation with computational fluid dynamics (CFD) series below:

• 数値流体力学とは？
• CFD Thermal Simulation Best Practices
• The Future of Thermal Simulation with CFD

問題の定式化：解析範囲の定義

解析プロセスの最初のステップでは、次のような一連の重要な質問に対処して、問題を策定します。

• この解析の目的は何ですか？
• 目標が最も効果的に達成できる方法とは？
• モデルに含めるべきジオメトリ要素はどれですか？
• 境界と初期条件はどのように確立できますか？
• どのレベルの空間モデルの次元が必要ですか（1-D、2-D, 3-D、または軸対称）？
• フロードメインはどのように表現されるべきですか？
• 適切な時間モデリング（定常的または不定的）とは？
• 粘稠な流れ（乱流、粘稠度、層流）の特徴を説明するものは何ですか？

問題を正確に策定することで、エンジニアは適切な属性でモデルを定義し、シミュレーション結果に誤ったデータが含まれないようにすることができます。

ジオメトリとフロードメインモデリング

解析を実行するには、検討中のオブジェクトのモデルを作成する必要があります。これには通常、CADソフトウェアを使用してオブジェクトのジオメトリを正確に表現することが含まれます。一部の事例では、ファスナーねじ山の除去などの特定の近似や単純化を使用して、合理的な精度を維持しながら解析プロセスを容易にすることができます。電子デバイス、特に半導体では、デバイスの幾何学的形状は、非常に単純かつブロック的であり得ます。しかし、より複雑なレイアウトの電子部品にヒートシンクが取り付けられると、正確な形状に対する重要性が増します。

同時に、フローがシミュレートされる有限フロー領域のサイズに関する決定が行われます。フロードメインの境界の特定のセクションは、オブジェクトのジオメトリの表面と一致し、他の表面は、フローが入ったり出たりする自由な境界として機能します。

このモデリングプロセスは、後続のグリッド生成プロセスにインプットを提供する方法で、幾何学的形状およびフロードメインを準備することを目的とします。これには、正確で効率的なグリッドを生成するために必要な構造的およびトポロジー的な考慮事項を考慮に入れることが含まれます。興味深いことに、モデルの一部はモデル周辺のスペースであり、特定のプロパティ、おそらく空気に最も似たプロパティを割り当てる必要があります。電子機器の冷却には水やオイルが組み込まれていることがありますが、空気は電子機器が常駐する最も一般的な媒体です。対流のみではなく強制空気を含めると、ファンの使用によって、気流が考慮され、ファンの熱が追加されるため、モデルの計算要件が大幅に増加します。Same SkyのACファンとDCファンの全ラインナップをご覧ください。

設計者は、幾何学的モデルにエラーや欠陥がないことを確保する上で重要な役割を果たします。注意すべき一般的な問題は次のとおりです。

• 顔の欠損または重複
• モデル内のギャップ
• エッジ、フリーフェイス、頂点などの閉じていない形状

必要な準備が終わったら、モデルの完全性と正確性を確保するために、上記のエラーのない閉じた固体にする必要があります。

境界と初期条件を定義する

これらのステップの多くは汎用分析用ですが、電子機器の冷却と分析にも適用されます。モデリング後のこの最初のステップでは、有限フロードメインが定義されているため、フロードメインの境界に物理的条件を設定する必要が生じます。シミュレーションプロセスは最初のソリューションから始まり、反復アプローチを使用して最終的なフローフィールドソリューションに向かって徐々に収束します。

グリッド生成：フロードメインの離散化

グリッド生成プロセス中、フロードメインは、グリッドの構造とトポロジーを定義することによって、グリッドに分割されます。一般的に使用されるアプローチは、マルチブロックの構造化グリッドを使用し、グリッドブロックは、連続、非連続、または重複などの異なる関係を示し得ます。グリッドは、直交性（特に境界）、相対的なグリッド間隔（最大伸張値15%～20%）、グリッドの歪みなど、特定のグリッド品質基準に従う必要があります。

シミュレーション戦略の定義

シミュレーション戦略の策定には、適切なマーチング手法（スペース対時間）の採用、適切な乱流または化学モデルの選択、適切なアルゴリズムの選択など、重要な考慮事項が含まれます。これらの決定は、分析プロセスの精度と効率を決定する上で重要な役割を果たします。

入力パラメータとファイルの指定

入力データファイルには、目的のシミュレーション戦略に合わせるために不可欠な入力パラメータ値の包括的なリストが含まれているため、入力データファイルは重要な役割を果たします。さらに、グリッドや境界条件に関する情報を含むグリッドファイルは通常、必要です。この一環として、熱源は、定常状態または過渡状態のいずれかとして定義されます。

シミュレーションの実施

シミュレーションを開始するには、複数のフローソルバー間で慎重に選択し、それぞれが特定の物理的問題に対処するように設計されています。適切なソルバーが選択されると、数値方式が選択され、境界条件がソフトウェア内で指定されます。必要な入力がすべて揃うと、シミュレーションはコンピュータまたはハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）クラスタで実行されます。ほとんどの電子シミュレーションは他のCFDシナリオよりも単純であるため、これらのシミュレーションは多くの場合迅速ですが、複雑さに応じて完了までに数日かかることがあります。

数値流体力学は、計算リソースを使用して流体挙動を数学的にシミュレートするために、様々な数値方法に依存しています。CFDシミュレーションで一般的に採用されている数式には、以下のものがあります。

有限ボリューム方式（FVM）

CFDの有限体積法は、計算ドメインを限られた数の細胞に分割し、各細胞について保存方程式（質量、運動量、エネルギー）を解くことを含みます。この方法は、統治方程式の積分形式に基づいて、商用CFDソフトウェアにおける広範なアプリケーションを見つけます。統治方程式の不可欠な形式は、この方法の基盤として機能し、商用CFDソフトウェアアプリケーションにおいて一般的な選択肢となっています。

有限要素法（FEM）

有限要素法は、有限要素メッシュ上で定義された基本関数を使用して方程式の解を近似する数値技法です。この方法は、複雑な形状に特に効果的であり、移動境界の問題を処理することができます。

スペクトル法

スペクトル法は、チェビシェフ多項式やフーリエ系列のような一連の基本関数の切り捨てられた系列を使用して、方程式の解を近似します。この方法は、定期的な境界条件を伴う問題に非常に効果的であり、そのようなシナリオで正確な結果を提供します。

ラティスボルツマン法

ラティスボルツマン法は、個々の粒子の挙動をモデル化し、流体の流れをシミュレートする高度なCFD計算アプローチです。このアプローチは、多孔質媒体の流体フローをシミュレーションし、多相フローを正確にモデリングするのに非常に適しており、これらの複雑なシナリオに対する貴重な洞察を提供します。

CFDの分野が進展するにつれて、複雑な流体の流れの問題に取り組むために数値的な方法が進化し続けています。これらの課題に対処し、シミュレーションの精度を向上させるための新しい方法が開発されています。特定の数値メソッドの選択は、目の前の問題の特徴と、CFDソフトウェアが提供する計算能力に依存します。このダイナミックなランドスケープにより、エンジニアはCFDシミュレーションを実行する際にさまざまなオプションを選択できます。

CFDシミュレーション結果を解釈する

CFDシミュレーションの完了後、ソリューションは、計算グリッドの各ノードで圧力や速度などのフロー変数を生成します。しかし、この生データの解釈は難しいかもしれません。したがって、後処理技術は、積分量を導き出し、解釈や比較を容易にするグラフとプロットを生成します。

後処理の目的は、ユーザーのデータとフロー構造を直感的に提示することです。これには、結果の理解を高めるユーザー定義の配色でグラフィカル表現を生成することが含まれます。後処理により、半導体デバイスや付属のヒートシンクに熱勾配を表示するなど、視覚的に有益な表面プロットを作成でき、フロー物理学や設計の側面をより深く把握できます。この重要なステップは、設計の改善を特定し、効果的な比較を容易にし、最悪の環境や最高電力使用モードでも、電子機器を予測温度マージン内に維持する最適なソリューションを決定します。

概要

数値流体力学（CFD）の仕組みの概念から、実際に正確に実装するまでの移行は簡単なことではありません。しかし、問題を完全に特定し、正確なモデルを作成し、シミュレーションを実行することで、あらゆる電子機器冷却シナリオの設計改善の基盤として解釈され、使用できる有用な結果が作成されます。これらの各ステップは、潜在的な不正確さがコンパイルされ、プロセスが継続するにつれてより大きな問題を引き起こす場合にも同様に重要です。しかし、慎重かつ効果的に行われるCFDは、コストと開発時間を削減する強力なツールです。ご質問がある場合は、Same Skyの熱設計サービスと温度管理コンポーネントをご利用ください。