瞭解電機工程中的計算流體動力學

在電氣工程領域中，熱傳遞和散熱系統的管理，是確保可靠性和效率的重要關鍵。靠猜測與希望不切實際，但試錯方法又耗費成本且沒效率。只要將熱量的概念轉化成流體，工程師就可採用精確且逼真的建模作法。計算流體動力學 (CFD) 已成為分析和解決熱管理難題的重要工具，能讓團隊在投資實體資源之前，先行探索解決方案並降低風險。本文將概述 CFD，包括其運作方式以及在電子設計中的優勢。

CFD – 基礎知識

CFD 使用數值演算法來解決掌管流體力學和熱傳遞的複雜、非線性偏微分方程式。這些計算可建立詳細的 3D 模型，準確呈現實體系統的空間和時間動態。此作法能為工程師提供逼真的見解，且不會產生實驗操作的高成本。

CFD 能將熱分析加以轉換，會模擬流體和固體之間的互動，並且評估周圍流體內的對流行為。此技術在流體流動模擬中整合了三大熱傳遞方法，包括傳導、對流和輻射。因此可達到全面的熱行為評估，這對電氣工程應用來說是不可或缺的要素。

大多數 CFD 軟體專為一般應用而設計，可將熱傳遞、氣流、相位變化等現象建立模型。然而，也有專門的 CFD 工具特別著重於熱傳遞，因為對電子裝置來說，精確的熱行為建模是確保效能和可靠性的關鍵。與一般用途 CFD 工具不同的是，這些利基型解決方案可針對特定應用量身打造功能，藉此簡化流程。舉例而言，專用軟體就可針對積體電路套件、電路板、散熱片、散熱管和風扇進行建模。其關鍵能力包括依據計算的系統阻力來判定散熱風扇的操作點，並確保在非必要電力消耗下達到充足的氣流。其他 CFD 熱分析資料包括：

• 氣流場和模式：瞭解電子元件周圍的氣流行為
• 熱通量率：量化表面之間的熱傳遞強度
• 熱點辨識：偵測過熱的局部區域
• 溫度分佈：對應系統之間的熱梯度
• 熱傳遞速率：評估散熱機制的效率

此資料能讓工程師將設計最佳化，以達到有效的散熱、增強散熱策略，並預防熱故障。這些見解對維持系統可靠性和延長電氣裝置的使用壽命來說不可或缺。

圖 1：CFD 分析範例。(圖片來源：Same Sky)

CFD – 如何運作？

計算流體動力學是以物理學所衍生的三項核心原理為基礎：質量守恆、動量守恆、能量守恆。這些原理可透過納維－斯托克斯方程式以數學方式表示。若 CFD 模型依據這些方程式正確配置並融合成解決方案時，在本質上就符合物理基本定律，可確保結果的可靠性。

標準的 CFD 分析通常涵蓋三個主要流程。但若有其他步驟 (包括初步和後期處理活動)，就可顯著增進分析的全面性和準確性。

圖 2：CFD 涉及三個主要處理步驟。(圖片來源：Same Sky)

在開始 VFD 分析之前，必須先將問題公式化成偏微分方程式系統。這個基礎階段相當重要，因為可定義主要的方程式 (通常以納維－斯托克斯方程式為基礎)，以便描述要研究的物理現象。此步驟可確保數學模型準確呈現問題的物理行為，當作 CFD 分析的起點。

1. 預處理階段：在預處理階段，CFD 軟體會將偏微分方程式轉換成個別的代數方程式。此階段有個關鍵活動是網格的產生，此時的計算區域會分成結構化或非結構化元素 (例如三角形、四邊形或四面體)。

   在流動場的關鍵區域中，將網格元素的大小細分，尤其是在邊界或高梯度的區域，就可確保物理現象的呈現更加準確。此步驟會直接影響模擬結果的品質和精確度。

2. 處理階段：在解算階段，CFD 模擬軟體會以數值方式解算預處理階段所產生的代數方程式。此模擬過程會受到幾個因素的嚴重影響，而且這些因素會決定計算的時間和準確性，包括：
   • 電腦硬體能力，例如處理器速度和記憶體
   • 向量化和平行化技術，可將計算速度最佳化
   • 資料結構，可確保資料處理的效率
   • 停止條件，可定義聚合和模擬完成
   • 網格大小和品質，以及暫態模擬的時間解析度
   • 程式設計語言，會影響程式碼的效率與執行

   工程師也可以調整各種模擬參數，以針對其特定應用將分析最佳化。

3. 後期處理階段：後期處理階段則著重於模擬結果的分析和解讀。CFD 模擬的資料會經過擷取，然後透過影像、圖表和表格的方式視覺化呈現，進而提供對各參數的見解。根據這些結果，工程師就可判斷是否有必要進一步測試、最佳化或重新設計。有效的後期處理對於傳達結果和識別可行的步驟來說相當關鍵，無論是要驗證設計、改善系統效能還是排解問題都是如此。

熱點的解決

與實體實驗相比，CFD 的模擬可提供高水準的精確度和寶貴的見解，尤其是面對熱點偵測不容易的複雜流體系統時。熱點是指溫度明顯高於周圍的局部區域。如果未加以因應，這些熱點可能會隨著時間而聚積熱量，進而導致嚴重的後果，例如系統故障、失效或導致產品遭受不可逆的損壞。這些問題可能有損電子裝置的壽命，且可能危及使用者的安全。

透過 CFD 熱模擬，工程師可以準確地預測產品設計中的熱分佈並將其視覺化呈現。這項功能可以及早識別潛在的熱點。有了這些資訊，就可實作目標式設計修改，例如增強散熱機制、材料性質最佳化，或是重新配置氣流路徑等，以免熱量過度累積。如此一來，系統面對熱應力就更具韌性，可降低受損機率，並可延長操作壽命。

使用 CFD 節省成本和時間

工程師的目標是持續開發效能更好的電子產品，但是否要邁向量產的決定，往往取決於嚴格的實際測試結果。現代電子產品的設計過程越來越複雜，產品也更加緊湊，即便是開發單一原型，也需要投入大量的時間和資源。原型製作後，還要經過熱應變測試，以評估其耐用性、物理性質和實際效能。只有通過這些測試的原型才能邁向量產，若未通過，就會導致初期的投資完全喪失。

CFD 可提供強大的替代方案，能用電子產品的虛擬模型來模擬實際的情況。透過 CFD，工程師就可對其設計進行熱傳遞分析、識別散熱問題，且無需實體原型就可進行模型的微調。這種反覆的模擬過程可提供精確的結果，包括詳細的視覺化呈現流動模式和熱分佈，比起傳統的實體測試，能更進一步瞭解複雜的流量和熱傳遞系統。

結論

透過 CFD 模擬，工程師可以有效地進行產品設計最佳化，進而減少與實體原型製作相關的時間和成本。這種作法可將故障風險降到最低、加速開發流程，並確保最終產品準備好以更高的效能與可靠度邁向量產。若對 CFD 的應用與使用方法有任何疑問，Same Sky 的熱設計服務以及一系列熱管理元件都可提供協助。