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Wie die thermische Simulation eigentlich funktioniert

Die thermische Simulation ist eine Spezialform der bekannten computergestützten Strömungsberechnung (CFD), welche die Durchströmung und Umströmung mittels der Navier-Stokes Gleichung löst.

Die Modellierung geschieht in einem derartigen Spezialtool über die Nutzung von „intelligenten“ Objekten, 3-D-CAD-Modellen sowie Informationen zum Leiterplattenlayout. Um dieses Modell mit dem Solver weiter berechnen zu können, bedarf es einer mathematischen Übersetzung der Geometriedaten und Bauteilattribute in kleine zu einem Netz verbundene Zellen, dem sogenannten „Gitter“.

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Es gibt verschiedene Philosophien ein an die Aufgaben angepasstes Gitter zu erzeugen. Die Qualität ist maßgeblich für die Qualität der Ergebnisse verantwortlich.

Zwischen der Berechnungszeit und der Größe des Lösungsgitters (Zellenanzahl) besteht zwangsläufig eine enge Beziehung. Ein Gitter, welches unnötig fein aufgelöst wird, führt zu langen Berechnungszeiten und kann eventuell von der zur Verfügung stehenden Größe des RAM-Speicher nicht bewältigt werden.

Ist das Gitter zu grob erstellt, kann die schlechte räumliche Auflösung der Wärmewege zu großen Abweichungen der späteren Messergebnisse führen.

In der Praxis konzentriert sich der Ingenieur auf die Bereiche, welche für die Wärmewege relevant sind. Wichtige Bereiche werden, meist von „Hand“, mit feinerem Gitter aufgelöst, wohingegen nicht so relevante Bereich durch ein grobes Gitter ausreichend beschrieben sind. Dies kann sehr komplex und zeitaufwendig sein.

Der Schlüssel liegt nun darin, einen effektiveren Weg zu finden, um diese mathematische Auflösung des Berechnungsraumes zu bewerkstelligen. Das Resultat sollte eine gute Berechnungsleistung mit hohem Anspruch an die Ergebnisse sein.

Thermische Simulation

Dienstleistung Elektronikkühlung

Das aktuelle Release 9 von 6sigmaET bietet einen neuartigen vollautomatischen Vernetzungsalgorithmus, der die Vorteile des kartesischen Gitters, d.h. Stabilität und Geschwindigkeit, mit einem neuartigen lokalen Verfeinerungsmechanismus kombiniert. Dieses wird als „Multi-Level-Unstructured-Grid“ bezeichnet und gilt in seiner Form als technologische Weltneuheit. Diese Art der Vernetzung bietet den Vorteil, durch automatische, der Geometrie angepasste Netzverfeinerungen nur eine der Aufgabe geschuldete Gitteranzahl zu generieren und dem Anwender die Bürde der aufwändigen manuellen Verfeinerung zu sparen.

Möglichkeiten durch eine vollautomatische Vernetzung

Der Gittergenerator startet mit einem sehr feinen Gitter, um das gesamte Modell mit sehr hohem Detailgrad mathematisch zu beschreiben und geht dann prioritätsgebunden vor, um lokal zu fein aufgelöste Gitter zu einem groben Gitter zu verschmelzen. Hierdurch werden geometrische Formen für die Wärmespreizung und für die Ablenkung der Luft in ihrer Oberfläche sehr fein aufgelöst, Gitterzellen und weniger interessanten Bereiche aber gleichzeitig ausgespart. Dies erspart viele Gitterzellen, ohne die Qualität der Ergebnisse zu stark zu belasten und beschleunigt den Lösungsvorgang um ein Vielfaches.

Diese Technologie eröffnet auch neue Möglichkeiten. Zum Beispiel können nun Modelle, welche bisher mit ihren feinen Strukturen (z.B. voll detaillierte Leiterplatten angewinkelt in einem Gehäuse verbaut) 1 Milliarde Zellen erzeugten, nun mit allen Details mit wenigen Millionen Gitterzellen thermisch berechnet werden; und dies in überschaubarer Zeit.

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