simulazione termica

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Progettare la dissipazione del calore prodotto per effetto Joule, 2 esempi pratici

di Cadlog on 2 Maggio 2019

L’effetto Joule è uno dei principali fenomeni che si verificano negli apparati elettronici, quando l’energia elettrica si trasforma in energia termica. In sintesi, l’effetto Joule consiste nella produzione di calore che si verifica quando in un elemento di un circuito elettrico passa una certa corrente tra due estremi, caratterizzati da una certa differenza di potenziale.

L’effetto Joule in alcuni casi è voluto – come nel fusibile, nell’asciugacapelli o nel forno elettrico – ma nella maggior parte dei casi è una conseguenza inevitabile del passaggio di corrente, che provoca un calore non voluto e potenzialmente dannoso. Dal punto di vista di chi si occupa di simulazione termica nell’ambito della progettazione di un apparato elettronico, è un problema del quale è necessario avere un quadro preciso, nell’ambito di un ambiente di progettazione in 3D.

L’effetto Joule può essere gestito efficacemente con uno strumento come Simcenter FloTHERM XT, il simulatore termico integrato all’interno di PADS Professional, la suite di PCB Design proposta da Mentor e Siemens per le piccole e medie aziende di progettazione elettronica. Nelle ultime versioni di FloTHERM XT, le condizioni elettriche al contorno vengono imposte sulla periferia di una rappresentazione solida 3D del conduttore. Il successivo processo di simulazione elettro-termica 3D risolve il potenziale di corrente e la tensione e utilizza la potenza di riscaldamento Joule come una fonte cella per cella per la soluzione della temperatura.

Ambiti di applicazione tipici della simulazione del calore prodotto per effetto Joule sono le busbar, i substrati di alimentazione e i piani di terra del BGA, i leadframes e i fusibili. Si tratta di tutti quei casi in cui il calore dovuto alla resistenza gioca un ruolo dominante nella dissipazione totale della potenza.

Esempio 1 – Simulazione termica di un fusibile

Qui di seguito vediamo un semplice esempio di fusibile montato su un PCB. La cartuccia del fusibile è stata omessa per maggiore chiarezza. Vengono definiti un valore di corrente sulla faccia della traccia che porta al fusibile e un valore di tensione fisso sul bordo del piano di massa sul lato inferiore del PCB. Un via collega la traccia al ritorno a terra.

dissipazione termica per effetto joule

FloTHERM XT è in grado di animare fluidi continui come il flusso di calore, il flusso d’aria o il flusso di corrente, consentendo di esaminare la loro direzione ed eventuali ostruzioni. L’animazione mostra come la corrente elettrica attraversa il circuito.

dissipazione termica per effetto joule

La velocità delle frecce è data dalla densità di corrente, che a sua volta è strettamente correlata alla dissipazione di potenza e alla temperatura risultanti. Si noti l’elevata densità di corrente all’interno del fusibile dell’avvolgimento, ottenuta mediante la progettazione. FloTHERM XT può rilevare anche la risultante dissipazione di potenza dovuta a riscaldamento Joule. Essendo una simulazione 3D, la densità di potenza viene indicata in potenza per volume, in questo caso / mm3.

dissipazione termica per effetto joule

La temperatura risultante è però l’elemento di maggior interesse. Qui sono state rilevate le temperature più calde che si verificano nella sezione centrale del fusibile.

dissipazione termica per effetto joule

Il ruolo svolto dal fusibile implica un accoppiamento tra il mondo elettrico e quello termico. Un aumento della temperatura determinerà un aumento della resistività elettrica, la quale aumenterà a sua volta la densità di corrente, la quale aumenterà la potenza del riscaldamento Joule, che aumenterà la temperatura e così via. Se il calore viene rimosso abbastanza velocemente, si ottiene un equilibrio e le condizioni si stabilizzano ad un aumento di temperatura costante. Se l’accoppiamento è troppo forte, in particolare in condizioni di corrente alta, la temperatura s’impenna, finché il fusibile non si surriscalda. FloTHERM XT è in grado di gestire questo accoppiamento, mediante la sua proprietà materiale di resistività elettrica dipendente dalla temperatura.

Esempio 2 – Analisi della PDN di un PCB

L’altro esempio che presentiamo mostra gli effetti del riscaldamento Joule nella Power Distribution Network (PDN) di un PCB. FloTHERM ha una tecnologia unica per la rappresentazione di tali geometrie complesse, definite in 3D all’interno dei software EDA (in questo caso PADS Professional), le quali possono essere incluse in una simulazione di riscaldamento Joule.  Ne risultano diagrammi che mostrano la distribuzione della tensione (più o meno uniforme, perché la PDN funziona come previsto, fornendo tutta la differenza di potenziale), l’ampiezza della densità di corrente, la dissipazione di potenza del riscaldamento Joule risultante e infine la temperatura risultante.

Power Distribution Network (PDN)
Power Distribution Network (PDN)

In questo caso, avremo un aumento di temperatura molto piccolo sull’ambiente. Nell’elettronica digitale “tipica” è la dissipazione di potenza nel die dei dispositivi attivi a dominare il comportamento termico del sistema, non il riscaldamento Joule nelle PDN.

Riscaldamento per effetto Joule in PCB ad alta potenza e dispositivi elettronici: l’importanza della CFD nella progettazione

Guarda ora il webinar on demand

webinar sulla disspipazione del calore prodotto per effetto Joule

L’effetto Joule è la causa più frequente di surriscaldamento dei dispositivi elettronici, che provoca spesso ritardi nell’ingresso dei prodotti sul mercato. Ma è possibile intervenire facilmente sin dalle fasi iniziali della progettazione.

In questo webinar l’Ing. Stefano Morlacchi mostra come è possibile sfruttare FloTHERM XT per modellizzare l’effetto Joule e ottenere validi input nella fase iniziale del processo di progettazione. Vedremo quali sono i vantaggi e gli svantaggi di simulazioni di questo tipo e come è facile importare direttamente il progetto dei circuiti stampati ad alta potenza nell’analisi termica.

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CadlogProgettare la dissipazione del calore prodotto per effetto Joule, 2 esempi pratici

Simulazione termica di un faretto LED con FLoEFD

di Stefano Morlacchi on 11 Ottobre 2017

In questo breve video viene mostrata l’analisi termica di un faretto LED effettuata con FloEFD.

FloEFD è il plugin per analisi CFD integrato nei principali ambienti per la progettazione CAD (Solidworks, NX, Solid Edge, CATIA, Creo). Ciò permette di utilizzare le geometrie e creare il modello CFD direttamente nello stesso ambiente di progettazione. In tal modo diminuiscono i tempi e i costi dell’analisi.

Tramite lo specifico modulo LED, FloEFD è in grado di calcolare la temperatura di giunzione e il flusso luminoso in uscita da LED e altri dispositivi di illuminazione.

Ottimizzazione dei dissipatori termici e delle condizioni di utilizzo sono alcuni dei tipici utilizzi di FloEFD

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La temperatura di giunzione nel LED

Nonostante i LED siano attualmente la sorgente di luce con la maggiore durata –arrivando a superare in alcuni casi le 50mila ore di utilizzo – durante il loro funzionamento sono soggetti a una graduale riduzione del flusso luminoso.

L’efficienza luminosa è influenzata negativamente sia dall’aumento della corrente ai capi del LED, sia da quello della temperatura di giunzione. Un’efficace dissipazione del calore è dunque un fattore determinate dell’efficienza del LED.

Per “giunzione” si intende la giunzione pn nel circuito integrato del semiconduttore. Si tratta della zona del chip dove avvengono la generazione e l’emissione dei fotoni.

Grafico di durata in ore di un LED in base alla temperatura di giunzione (J.T.) e il relativo flusso luminoso (Φv). Da: Wikipedia

Il grafico mostrato in figura evidenzia il rapporto tra temperatura di giunzione e flusso luminoso del LED.

FloEFD

Analisi computazionale fluido dinamica (CFD) integrata coi sistemi di CAD meccanico

FloEFD ha capacità di analisi tridimensionali complete per lo scambio di calore ed è facile da imparare, oltre che da utilizzare, perché non necessita dell’uso di entità numeriche complesse come le strutture di meshing, normalmente associate ai sistemi di analisi CFD.

“FloEFD è l’unico strumento di analisi CFD realmente integrato e incorporato nei principali sistemi di CAD meccanico, come Pro/ENGINEER, CATIA, Siemens NX e SolidWorks”

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Stefano MorlacchiSimulazione termica di un faretto LED con FLoEFD

Simulazione del bruciatore di una cucina a gas con FloEFD Combustion

di Stefano Morlacchi on 29 Agosto 2017

In questo video vengono mostrate le capacità di modellazione della combustione in FloEFD, utilizzando un bruciatore domestico a gas metano.

Il progetto consiste di due analisi: una prima analisi di miscelazione a freddo allo stato stazionario e una successiva analisi di accensione transitoria. Nel video si può vedere la dimensione del dominio computazionale usato. Una sezione trasversale del bruciatore mostra l’ingresso del gas metano a sinistra, l’ugello per la generazione del getto di gas e la camera di miscelazione.

Il metano viene inserito all’inlet a una pressione di 200 pascal sopra la pressione atmosferica. L’opzione di concentrazione della sostanza in ingresso mostra che a questo inlet entra metano al 100%. Il fluido di questo progetto è una combinazione di metano e aria.

Per analizzare i risultati della miscelazione a freddo, viene visualizzata una mappa della pressione, con la pressione più alta nella sezione prima della camera di miscelazione. È visibile una zona ad alta velocità attorno all’ugello dove la sezione trasversale è ridotta. Infine, guardando la concentrazione del carburante, possiamo vedere il modo di miscelazione e la composizione finale della miscela.

Le traiettorie di flusso mostrano come la miscela lasci l’anello verso l’ambiente esterno. L’intero scopo dell’analisi stazionaria è quello di determinare la portata e composizione (aria/metano) della miscela che fuoriesce dagli ugelli dell’anello. Possiamo vedere una portata totale di massa di circa 0,44 kg/h e una concentrazione media del carburante del 15,7% che verranno utilizzati come condizioni al contorno dell’analisi di combustione transitoria.

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Nel secondo step del progetto, impostiamo l’analisi transitoria, abilitando l’opzione time-dependent nelle impostazioni generali insieme alla gravità. La condizione di bordo del flusso di entrata è presa dalla simulazione precedente in termini di flusso e concentrazione. Abbiamo bisogno ora di avviare la combustione. È qui che entra in gioco un piccolo componente a sfera a cui viene applicata una temperatura elevata, definita tra 0.5 e 0.6 secondi, abbastanza tempo per accendere la miscela.

Durante il calcolo, possiamo visualizzare alcuni risultati per valutare la bontà dell’analisi. Qui stiamo osservando il bruciatore da due prospettive diverse, che mostrano la mappa delle temperature. Si può vedere la sorgente di calore iniziale al centro e la fiamma che poi si propaga verso l’esterno. La soluzione si arresta una volta che la fiamma diventa stabile.

Al termine dell’analisi, è possibile valutare svariati parametri legati alla combustione. La mappa di temperature mostra le zone più calde nella simulazione intorno l’uscita del gas. Questo risultato ci dà un’idea della forma della fiamma. La mappa di velocità mostra valori di circa 1 m/s intorno al bruciatore mentre il parametro combustion progress mostra dove effettivamente si sta verificando la combustione.

Possiamo anche esaminare le mappe di concentrazione dei vari prodotti di combustione, come CO2, CO, NO e combustibile residuo. Questo è utile per l’analisi dei prodotti di combustione nel rispetto delle norme di emissione. Una isosurface a temperatura costante ci dà l’idea chiara della forma della fiamma mentre le traiettorie di flusso mostrano il percorso dei gas di combustione.

Per concludere, FloEFD può essere utilizzato per analizzare la combustione sempre restando all’interno vostro ambiente CAD, al fine di ottimizzare le prestazioni del prodotto durante la fase di progettazione e prima della loro effettiva prototipazione.

FloEFD

Analisi computazionale fluido dinamica (CFD) integrata coi sistemi di CAD meccanico

FloEFD ha capacità di analisi tridimensionali complete per lo scambio di calore ed è facile da imparare, oltre che da utilizzare, perché non necessita dell’uso di entità numeriche complesse come le strutture di meshing, normalmente associate ai sistemi di analisi CFD.

“FloEFD è l’unico strumento di analisi CFD realmente integrato e incorporato nei principali sistemi di CAD meccanico, come Pro/ENGINEER, CATIA, Siemens NX e SolidWorks”

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Stefano MorlacchiSimulazione del bruciatore di una cucina a gas con FloEFD Combustion

Simulazione termica per l’elettronica, le novità di FloTHERM XT V3.0

di Cadlog on 16 Marzo 2017

Per la simulazione termica e l’electronic cooling è interessante scoprire quali sono le novità più rilevanti della versione 3.0 di FloTHERM XT, il tool di Mentor Graphics per l’ottimizzazione termica in ambienti di modellazione 3D elettronica e meccanica. Nella versione 3.0, oltre all’aggiornamento delle tecnologie chiave, ci sono miglioramenti sia dell’efficienza nella progettazione, sia dell’usabilità dell’interfaccia, ma anche maggiore integrazione con altri prodotti EDA. Ecco in sintesi quali sono le maggiori novità in ciascun ambito.

Tecnologie chiave di FloTHERM XT per la simulazione termica

  • Introduzione di 2 nuove SmartParts, il Radial Fan e il Centrifugal Fan.
  • Possibilità di creare la geometria e la definizione del flusso nei Fan con un singolo foglio di proprietà.
  • Modellazione di regioni rotanti, per simulare in modo esplicito gli effetti di geometrie in rotazione.
  • Nuove condizioni al contorno di potenza (W) in funzione della temperatura tra i Thermal Attributes, utilizzando direttamente la temperatura media dell’oggetto a cui è associata.

Miglioramenti dell’efficienza

  • L’attuale studio parametrico è stato migliorato con l’aggiunta della funzione “Design of Experiments”. È utilizzabile per analizzare lo spazio di progettazione, identificare le superfici di risposta e trovare una soluzione ottimizzata.
  • I differenti scenari della DOE possono essere inviati a computer remoti, di cui è possibile ottimizzare l’utilizzo scegliendo come distribuire il calcolo tra le varie macchine.

 Miglioramenti dell’interfaccia utente

  • Nella creazione del modello, vengono mostrate le facce e gli oggetti che possono essere selezionati per una SmartPart non geometrica selezionata, sia a livello di parte, sia di assemblaggio.
  • Possibilità di usare i call-out nella visualizzazione delle SmartPart non geometriche.
  • Rivisti i controlli del Meshing, con l’aggiunta di nuove funzionalità e una migliore usabilità. Le configurazioni della mesh locale sono ora più prevedibili.
  • Migliorata la visualizzazione dei risultati e il post-processing, con le temperature critiche dei componenti, i line plot, l’esportazione in Excel, gli obiettivi di volume e altri aspetti.

Integrazione con altri prodotti di EDA

  • Sono possibili due flussi:
  • Importazione diretta di files da altri tool di progetto tramite FloEDA Bridge
  • Utilizzo di formati di file neutrale per creare e definire modelli senza usare l’interfaccia grafica standard

FloTHERM XT

Ottimizzazione termica in un ambiente di modellazione 3D elettronico e meccanico

FloTHERM XT utilizza l’analisi fluidodinamica (naturale e forzata) e quella termica (conduttiva, convettiva e radiativa) già nelle prime fasi di sviluppo del progetto.

“FloTHERM XT può essere usato in tutte le fasi di progettazione e migliora la qualità del prodotto, la sua affidabilità e il time-to-market”

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Simulazione termica: introduzione a FloTHERM XT

di Cadlog on 2 Febbraio 2017

Tradizionalmente la progettazione termica di apparati elettronici viene lasciata alle fasi finali nei processi progettuali, quando la maggior parte del progetto, sia elettronico che meccanico, è vicina al completamento. Questo approccio porta molta rilavorazione nella fase finale del progetto e spesso ulteriori iterazioni dovute a problematiche individuate durante la prototipazione fisica. Ciò significa costi esorbitanti di progetto, prodotti che arrivano tardi sul mercato e mancanza di tempo per esplorare alternative di progetto migliori e per ottimizzare le strategie in una fase precoce, quando la simulazione avrebbe il massimo impatto sulle scelte compiute.

Per consentire di affrontare questo genere di problemi, Mentor Graphics ha individuato la necessità di dare forma a un processo progettuale continuo che supportasse tutte le fasi della progettazione termica in elettronica, dal concept alla verifica fino alla prototipazione e poi alla produzione. L’intento era inoltre quello di mettere in relazione i flussi della Electronics Design Automation (EDA) e del Mechanical Computer Aided Design (MCAD), ovvero il CAD meccanico, in riferimento al lavoro sia del progettista elettronico, sia dello specialista termico, però concentrandosi solo sul raffreddamento elettronico.

A tal fine, gli sviluppatori hanno sfruttato due dei più potenti DNA: FloTHERM, col suo pedigree da leder del mercato del raffreddamento elettronico per un quarto di secolo e FloEFD, come tecnologia abilitante dell’analisi termica e fluidodinamica (CFD) inserita all’interno del CAD. La sintesi di queste due tecnologie ha portato a FloTHERM XT, un nuovo prodotto specializzato nel raffreddamento elettronico, che supporto i processi progettuali dal concept fino alla produzione, estendendo la linea di prodotto esistente FloTHERM oltre il suo raggio d’azione.

Le fasi della progettazione e della produzione elettronica

Fig. 1 – Le fasi della progettazione e della produzione elettronica

Ciò che rende unico FloTHERM XT è la sua capacità di supportare i requisiti termici di progetto dal concept fino alla verifica finale del progetto, attraverso un’implementazione dettagliata. Nel frattempo mantiene la coerenza del modello dei dati e sostiene in maniera pulita l’evoluzione dei dati quando vengono introdotti cambiamenti di tipo meccanico o nel layout della scheda.

È stata perciò sviluppata un’unica soluzione tecnica che nette in relazione i flussi di CAD elettronico e meccanico, introducendo in particolare una capacità potente, guidata dall’esigenza produttiva e che si auto-aggiorna con l’evolversi del layout del PCB. FloTHERM XT è “CAD-centrico” (figura 2) nel progetto e nelle operazioni, ma ha un’interfaccia utente configurabile, in grado di soddisfare sia le esigenze del progettista elettronico, sia quelle degli specialisti termici che potrebbero non avere bisogno di accedere a tutte le funzionalità del CAD.

L'interfaccia CAD-Centrica di FloTHERM-XT

Fig. 2 – L’interfaccia CAD-Centrica di FloTHERM-XT

Il prodotto è incentrato esclusivamente sulle applicazioni di raffreddamento elettronico ed è stato realizzato sulla base dell’innovativa tecnologia di FloTHERM, inserendo la potenza e sofisticazione di FloEFD, quale tecnologia abilitante per il meshing e la risoluzione dei problemi di fluidodinamica.

Inoltre FloTHERM XT comprende un modulo chiamato FloEFD Bridge (figura 3), nel quale tutti i passaggi della progettazione elettronica sono semi-automatizzati per la preparazione del modello di PCB, compresa la definizione della tensione del componente, consentendo a un modello completo di PCB di essere trasferito direttamente e facilmente all’interno di FloTHERM XT.

L'interfaccia FloEDA Bridge di FloEFD

Fig. 3 – L’interfaccia FloEDA Bridge di FloEFD

FloTHERM è disponibile sia come tool autonomo, sia come estensione delle funzionalità di PADS, sotto il nome di PADS FloTHERM XT.

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Simulazione termica di un faro fendinebbia LED, un ebook da scaricare

di Cadlog on 12 Gennaio 2017

L’illuminazione dei veicoli è uno dei fattori di sicurezza più importanti del settore automotive e la simulazione termica dei LED gioca un ruolo fondamentale proprio nel determinare le condizioni di sicurezza in caso di maltempo. Tutti abbiamo esperienza di guida con cattive condizioni di tempo, e con la nebbia in particolare, e di quanto sia importante disporre di un efficiente sistema di illuminazione del veicolo.

I fari dell’auto sono oggetto di controllo frequente e la loro efficienza può in parte essere controllata ad occhio, ma per i fari fendinebbia il discorso è diverso, perché vengono usati raramente, ma quando è il momento, è importante che funzionino al meglio.

Il surriscaldamento è il fattore principale di degrado a cui possono andare incontro i fari con tecnologia LED, specie a causa delle alte temperature di giunzione dei LED stessi, che provocano un calo del flusso luminoso. Oltre a ciò, quando cambia la temperatura di giunzione, si sia verifica un cambiamento nella tensione di giunzione del LED (Forward Voltage), sia un’alterazione nel picco della lunghezza d’onda dello spettro luminoso. Le alte temperature di giunzione provocano inoltre un accorciamento della vita dei LED.

Dunque una gestione insufficiente del surriscaldamento influisce negativamente sull’affidabilità e di conseguenza sulla sicurezza. Diversamente da quanto avviene con le lampade a bulbo, il LED converte in luce fino al 30% dell’energia ricevuta e il restante 70% in calore. Una lampada a bulbo rilascia in calore fino all’85% dell’energia e ciò avviene sotto forma di raggi infrarossi, mentre il LED dissipa per conduzione, richiedendo una complessità di progettazione diversa, come è mostrato nella figura che segue.

L’argomento è approfondito nell’ebook basato sul testo di Gang Wang “Thermal Testing of an Automotive LED Fog Light using MicReD T3Ster & TeraLED”, che è possibile scaricare dal link sottostante.

Scarica ora l’ebook:

Thermal Testing of an Automotive LED Fog Light

Il testo di Gang Wang, Application Engineer di Mentor Graphics, spiega nel dettaglio un caso di simulazione termica di un impianto di illuminazione LED antinebbia per un veicolo, effettuato utilizzando MicReD T3SterTM TeraLEDTM.

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Simulazione termica: le novità di FloEFD 16

di Cadlog on 20 Ottobre 2016

Per la simulazione termica degli apparati elettronici lo standard di riferimento, tra i software, è FloEFD di Mentor Graphics, di cui è stata appena presentata la versione 16. Le novità sono molte e consentono di utilizzare al meglio e nel modo più rapito tutte le potenzialità della fluidodinamica computazionale (CFD), sempre più importante con il ridursi delle dimensioni dei dispositivi e l’aumento delle performance richieste.

Sfoglia la presentazione per vederle:

Seminario gratuito

Parleremo di FloEFD al CFD Day, in programma a Milano per il prossimo 30 novembre.

Nel corso della giornata i diversi relatori faranno il punto sullo stato dell’arte della simulazione termica a fluidodinamica, con presentazioni dei vari tool disponibili, casi d’eccellenza e interventi di scenario per capire dove va il mercato.

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Così la simulazione CFD allunga la durata dei LED per le auto

di Cadlog on 13 Ottobre 2016
Diagramma di una lampada a LED per automotive

Diagramma di una lampada a LED per automotive

La durata dei LED per le auto è un fattore fondamentale nella progettazione dei fari, dal momento che – a differenza delle luci a bulbo – quando un LED smette di funzionare bisogna cambiare l’intero apparato e non solo l’elemento illuminante. Dunque eventuali errori nella progettazione possono facilmente tradursi in disagi per i consumatori, in reclami e difficoltà di vendita.

Nella progettazione di un LED per auto i progettisti devono assicurarsi per prima cosa che l’apparato non si scaldi troppo, altrimenti si rischia di ridurre la durata di vita e la stessa intensità del flusso luminoso.

Progettazione di un led per auto: le sfide

Il grafico mostra come sopra i 40° C il flusso luminoso del LED decresca rapidamente

Il grafico mostra come sopra i 40° C il flusso luminoso del LED decresca rapidamente

Essendo il LED alimentato da una corrente costante, la tensione diretta è definita dalle proprietà del LED stesso e diminuisce col crescere della temperatura. Ciò si traduce in una diminuzione dell’efficienza luminosa e in un aumento delle temperature nelle giunzioni.

“Quando la temperatura di un LED aumenta il suo colore cambia”, dice Boris Marovic, technical manager di Mentor Graphics. “Il colore di un LED rosso, ad esempio, vira verso l’ambra, ma i colori delle luci per i veicoli sono regolamentati per legge e così l’ambra non è più regolamentare per le luci dei freni”

Uno dei problemi principali da affrontare è quello relativo allo spazio. Lo spazio a disposizione per un apparecchio illuminante è limitato dal design del veicolo, ma anche dai vincoli normativi. Dunque non potrebbe esserci spazio a sufficienza per i dissipatori di calore.

“Essendo lo spazio limitato, i progettisti spesso ricorrono al raffreddamento forzato tramite ventole”, spiega Marovic. “Con la ventilazione forzata è possibile ridurre le dimensioni dei dissipatori e controllare le temperature anche alle basse velocità”.

Un altro aspetto da considerare sono le condizioni climatiche. Nei climi più caldi la differenza di temperatura rispetto all’esterno è minima e il raffreddamento diventa ancora più difficile.

“Alcuni progettisti usano dei resistori, che riducono automaticamente la corrente verso i LED con l’aumentare delle temperature, anche se ciò riduce la luminosità”, spiega ancora Marovic. È evidente però che è più efficace progettare in partenza LED che lavorano a temperature più basse.

“L’ideale è avere LED che operano a temperature basse senza degradarsi velocemente e assicurando una durata lunga”, dive Marovic, “ma il problema è come ottenere tutto ciò rispettando i vincoli spaziali ed evitando di aumentare i costi”.

Il compito del progettista è dunque quello di ottimizzare la dissipazione di calore adottando una lista dei materiali (BOM) economicamente sostenibile.

Gli strumenti di simulazione basati sulla fluidodinamica computazionale (CFD), come FloEFD, consentono di testare in fase progettuale diverse varianti, in modo da rendere possibile l’ottimizzazione della dissipazione termica in base ai vincoli che abbiamo descritto.

La simulazione termica dei fari per i veicoli

Le gestione termica di un apparecchio illuminante richiede che si considerino fattori associati al sistema come la convezione, la conduzione e la radiazione.

La geometria CAD e la geometria mesh di un faro con la simulazione termica

La geometria CAD e la geometria mesh di un faro con la simulazione termica

Gestire la conduzione è facile, poiché è sufficiente conoscere le proprietà delle diverse componenti all’interno dell’apparecchio. Il software di simulazione tipicamente si occuperà del resto.

FloEFD può essere usato anche per modellare il trasferimento convettivo di calore all’interno dell’apparecchio. Ciò è un po’ più complicato, rispetto a calcolare il passaggio di calore per conduzione, poiché richiede un’analisi CFD del flusso d’aria sia all’interno sia intorno al faro. Durante l’analisi CFD il software calcola il coefficiente di trasmissione del calore.

Come per le radiazioni, ciò richiede di selezionare il modello corretto.

I 3 modelli di radiazione disponibili in FloEFD di Mentor Graphics: Discrete Transfer Radiation Model (DTRM), Discrete Ordinates (DO) e Monte Carlo (MC)

I 3 modelli di radiazione disponibili in FloEFD di Mentor Graphics: Discrete Transfer Radiation Model (DTRM), Discrete Ordinates (DO) e Monte Carlo (MC)

“La selezione del modello di radiazione è molto importante, perché determina l’accuratezza e l’estensione dell’analisi”, avverte Marovic. Il modello Monte Carlo è il più accurato, per le applicazioni nell’ambito dell’illuminazione”. Dal momento che il faro comprende anche elementi come lenti e riflettori, va scelto un modello che abbia anche buone capacità di messa a fuoco ottica, altrimenti il progetto non riuscirebbe a evitare il formarsi di concentrazioni di calore quando il sole batte direttamente sul faro.

“Le radiazioni solari possono danneggiare seriamente il faro. Le temperature elevate, che si creano in modo simile alla concentrazione di una lente colpita dal sole, possono bruciare gli elementi in plastica, raggiungendo temperature di diverse centinaia di gradi Celsius”, spiega Marovic. “Al contempo gli stessi elementi ricevono calore dagli elementi illuminanti e ciò è estremamente importante per componenti come le lenti in plastica”.

La simulazione consente di vedere tutto ciò e di sistemare i riflettori e le lenti in modo tale che i raggi di calore non si incontrino negli hot spot. Essa consente inoltre di visualizzare gli hot spot e le fonti di radiazione che li causano, ma anche di definire se la radiazione viaggia come una banda o per raggi individuali. Il modello a banda, essendo basato su valori media, è meno accurato, se sono presenti più materiali con diverse caratteristiche ottiche. In tal caso è necessaria maggiore potenza computazionale per adottare un calcolo basato sui singoli raggi.

FloEFD può incorporare altri modelli fisici nell’analisi di simulazione dell’apparecchio. Ma l’aggiunta di altri elementi – come la formazione di brina e di ghiaccio – aumenta il tempo di calcolo. Per tale motivo è bene riservare queste simulazioni più complesse ad una fase nella quale lo spazio di progettazione si è ridotto dopo le analisi termiche iniziali.

I benefici di una simulazione precoce nella progettazione di fari per auto

“idealmente la simulazione dovrebbe essere fatta prima possibile, per evitare che cambiamenti tardivi nel progetto facciano aumentare i costi”, dice Marovic. “I calcoli CFD se vengono fatti nella fase iniziale del progetto”, aggiunge, “essi permettono di stimare le temperature e di conseguenza i materiali necessari, che influiscono sul costo dell’apparecchio”.

La definizione dei parametri di un LED in FloEFD

La definizione dei parametri di un LED in FloEFD

La simulazione consente anche di ottenere tutte le informazioni sui movimenti dell’aria all’interno dell’apparecchio e sulle performance dei dissipatori di calore, per capire se le loro caratteristiche fisiche sono sufficienti e se si rende necessaria una ventola.

I progettisti possono utilizzare la simulazione per stimare il flusso luminoso del LED alla sua temperatura d’esercizio. Dunque queste simulazioni si rivelano essenziali per la garanzia dei prodotti. Considerando che la sostituzione dei LED è molto più complessa rispetto alle lampade a bulbo, ciò significa enormi risparmi per le aziende produttrici.

Per saperne di più si veda la pagina su FloEFD.

Una giornata dedicata alla simulazione termica

Parleremo di questi temi dal vivo il 30 novembre prossimo a Milano, in occasione del “CFD Day“. Si tratta di un seminario con la presentazione di diversi casi reali di applicazione della CFD. L’evento è gratuito, ma è necessario registrarsi usando il modulo qui a fianco.

Per i contenuti dell’articolo si ringrazia ENGINEERING.com.

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Condensa nei fari a LED: un modello di simulazione

di Cadlog on 16 Maggio 2016

La condensa nei fari a LED è un fenomeno importante nell’industria automotive, che può essere affrontato grazie a un tool semplice e al tempo stesso sofisticato come FloEFD di Mentor Graphics. Un video nel mostra le caratteristiche. Di seguito riportiamo, oltre al video, una sintesi dei suoi contenuti. Il video è sottotitolato in italiano.

La suite Mentor Graphics di simulazione meccanica per l’industria automotive

Mentor Graphics fornisce diversi strumenti per l’analisi meccanica nell’industria automotive. Flowmaster fornisce un’analisi complessiva a livello di sistema, che consente di analizzare cone le singole parti contribuiscono alla fluidodinamica del veicolo. FloEFD è il tool incluso all’interno del CAD, che consente un’accurata analisi di elementi anche dalle geometrie complesse. T3Ster e TeraLED sono dispositivi hardware che consentono una caratterizzazione accurata ottica e termica dei LED. FloTHERM e FloTHERM XT sono software leader di mercato nell’analisi fluidodinamica dei dispositivi elettronici.

Panoramica sui modelli fisici

Modellazione del film d’acqua

Una prima possibilità di FloEFD è quella della modellazione del film d’acqua (Water Film Modeling). Il programma è in grado di analizzare fattori come la condensa superficiale, la formazione della brina, l’umidità dell’aria, e tutte le diverse caratteristiche fisiche del film. Possibili applicazioni sono l’analisi della condensa nei fari, dell’appannamento o brinatura del parabrezza, dell’umidità negli apparati elettronici.

Modellazione delle radiazioni termiche

FloEFD consente di adottare 3 diversi modelli di analisi: Monte Carlo, DO (Discrete Ordinates) e DTRM (Discrete Transfer Radiation). In tal modo è in grado di effettuare analisi molto specifiche e significative, come quelle ad esempio che tengono conto sia dei fattori di riscaldamento interni all’apparato che ambientali (come l’auto lasciata parcheggiata al sole), o quelle che considerano le particolri condizioni che si creano con vetri ricurvi che si comportano come lenti. I diversi tipi di analisi consenton di valutare fattori come l’assorbimento, riflessione e trasmissione del calore nei fari, oppure il riscaldamento focalizzato su una lente.

Modellazione del LED

È possibile anche effettuare un’accurata modellazione termica e ottica del LED, col fine di calcolare la temperatura di giunzione dei LED stessi e la loro degradazione.

Simulazione completa di un faro con LED e lampada alogena

Il modello preso in esame ha tutte le caratteristiche complete di un faro d’automobile, col fine di modellare non solo gli effetti termici all’interno del faro, ma anche tenere conto di elementi come i riflessi, la concentrazione del calore e l’assorbimento nei materiali.

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Proprietà dei materiali

I materiali principali presenti nel faro sono alluminio, vetro di policarbonato e vetro al quarzo. Per ciascuno di essi cono presi in esame indicatori come l’emissività, il coefficiente di assorbimento o l’indice di rifrazione. FloEFD include una libreria di componenti con i valori di riferimento.

Fonti di calore

Le fonti di calore sono un bulbo alogeno da 55 W e ul LED Osram Golden Dragon da 0,7 A. Le proprietà termo-ottiche sono state misurate con i sistemi di misurazione T3Ster e TeraLED.

Condizioni ambientali

Sono state simulate le condizioni specifiche di un’auto che si ferma in un ambiente freddo e umido. Comincia a manifestarsi la condensazione. Dopo 12,5 minuti i LED vengono accesi e dopo 20 minuti anche il motore e le luci. Vengono specificati il coefficiente di trasferimento del calore e il cambiamento di temperatura sulle superfici esterne del faro., per simulare le condizioni interne durante la sosta e dopo l’accensione del motore.

Variazione nel tempo dello spessore e della temperatura del film

Con la simulazione effettuata da FloEFD è possibile visualizzare un grafico dell’andamento nel tempo dello spessore (o della massa) del film d’acqua e della temperatura, in relazione agli eventi simulati.

Distribuzione della temperatura e dell’umidità

Il grafico ottenuto con FloEFD mostra sezioni del faro con la distribuzione della temperatura e dell’umidità in due momenti diversi della simulazione.

Temperatura del vetro anteriore

Un’altra visualizzazione mostra la distribuzione delle temperature sul vetro esterno del faro, con un’escursione che nel caso specifico va da  -2,11° a 4,99° C. Una caratteristica tipica di FloEFD è quella di essere in gradi di fornire valori precisi – sia delle parti fluide, sia di quelle solide – indipendentemente dalla complessità della geometria.

Prestazioni dei LED

La diapositiva del filmato mostra il calcolo delle prestazioni dei vari LED presenti nel faro, in relazione a valori come la temperatura, lo scambio di calore e il flusso luminoso.

Dinamiche dello spessore della condensa

Viene mostrata un’animazione con l’andamento nel tempo dello spessore della condensa sul vetro. Come si può vedere, a pochi secondi dall’accensione, la parte priva di condensa (di colore azzurro) si espande rapidamente.

Dinamiche della fase della condensa

Questa animazione mostra un andamento analogo a quello delle dinamiche dello spessore del film di condensa.

Conclusioni

I risultati principali che è possibile ricavare da questa simulazione sono i seguenti:
– i fari sono caratterizzati da sfide uniche, per ciò che riguarda la fluidodinamica, non solo in relazione alle dinamiche interne, ma anche a fattori come le radiazione o alle dinamiche della fase di condensa;
– equivalenti test fisici della condensa sarebbero eccessivamente dispendiosi in termini di tempo;
– per un’accurata simulazione termica e della condensazione, FloEFD combina un approccio numerico con uno sperimentale (T3Ster – TeraLED)

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CadlogCondensa nei fari a LED: un modello di simulazione