Información sobre la dinámica de fluidos computacional en ingeniería eléctrica

En el ámbito de la ingeniería eléctrica, la gestión de los sistemas de transferencia térmica y refrigeración es crucial para garantizar la fiabilidad y la eficiencia. Las conjeturas y las esperanzas son poco prácticas, mientras que los métodos de ensayo y error son costosos e ineficaces. Al conceptualizar el calor como un fluido, los ingenieros pueden emplear un enfoque de modelado preciso y realista. La dinámica de fluidos computacional (CFD) ha surgido como una herramienta vital para analizar y resolver los retos de la gestión térmica, lo que permite a los equipos explorar soluciones y mitigar riesgos antes de invertir en recursos físicos. Este artículo ofrece una visión general de la CFD, su funcionamiento y sus ventajas en el diseño electrónico.

CFD: conceptos básicos

La CFD utiliza algoritmos numéricos para resolver complejas ecuaciones diferenciales parciales no lineales que rigen la mecánica de fluidos y la transferencia térmica. Estos cálculos crean modelos tridimensionales detallados que representan con precisión la dinámica espacial y temporal de los sistemas físicos. Este método proporciona a los ingenieros una visión realista sin incurrir en los elevados costos de los montajes experimentales.

La CFD transforma el análisis térmico simulando las interacciones entre fluidos y sólidos y evaluando el comportamiento convectivo en los fluidos circundantes. Esta técnica integra los tres métodos principales de transferencia térmica: conducción, convección y radiación, en las simulaciones de flujos de fluidos. De este modo se obtienen evaluaciones completas del comportamiento térmico, indispensables en las aplicaciones de ingeniería eléctrica.

La mayoría del software CFD está diseñado para aplicaciones generales, modelando fenómenos como la transferencia térmica, el flujo de aire, los cambios de fase, etc. Sin embargo, existen herramientas CFD especializadas que se centran específicamente en la transferencia térmica, sobre todo en los dispositivos electrónicos, donde el modelado preciso del comportamiento térmico es fundamental para garantizar el rendimiento y la fiabilidad. A diferencia de las herramientas CFD generales, estas soluciones especializadas agilizan los procesos adaptando las funciones a aplicaciones específicas. Por ejemplo, un software específico puede modelar paquetes de circuitos integrados, placas de circuitos, disipadores, tubos de calor y ventiladores. Una de sus principales funciones es determinar el punto de funcionamiento de un ventilador de refrigeración en función de la resistencia calculada del sistema, lo que garantiza un caudal de aire suficiente sin consumir energía innecesariamente. Los datos adicionales del análisis térmico CFD pueden incluir:

• Campos y patrones de flujo de aire: Comprender el comportamiento del flujo de aire alrededor de los componentes electrónicos
• Índices de flujo térmico: Cuantificación de la intensidad de la transferencia térmica a través de las superficies
• Identificación de puntos calientes: Detección de regiones localizadas de calor excesivo
• Distribución de la temperatura: Mapa de gradientes térmicos en los sistemas
• Tasas de transferencia térmica: Evaluación de la eficacia de los mecanismos de refrigeración

Con estos datos, los ingenieros pueden optimizar los diseños para una disipación eficaz del calor, mejorar las estrategias de refrigeración y evitar fallos térmicos. Estos conocimientos son esenciales para mantener la fiabilidad del sistema y prolongar la vida útil de los dispositivos eléctricos.

Figura 1: Ejemplo de análisis CFD. (Fuente de la imagen: Same Sky)

CFD: ¿cómo funciona?

La dinámica de fluidos computacional se basa en tres principios fundamentales derivados de la física: la conservación de la masa, la conservación del momento y la conservación de la energía. Estos principios se expresan matemáticamente mediante las ecuaciones de Navier-Stokes. Cuando un modelo CFD se configura correctamente basándose en estas ecuaciones y converge a una solución, satisface intrínsecamente las leyes fundamentales de la física, lo que garantiza la fiabilidad de los resultados.

Un análisis CFD estándar suele implicar tres procesos principales. Sin embargo, las etapas adicionales, tanto las actividades preliminares como las posteriores al tratamiento, pueden mejorar significativamente la exhaustividad y la precisión del análisis.

Figura 2: La CFD incluye tres pasos principales de procesamiento. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Antes de iniciar un análisis CFD, el problema debe formularse primero como un sistema de ecuaciones diferenciales parciales. Esta fase fundacional es fundamental, ya que define las ecuaciones de gobierno basadas normalmente en las ecuaciones de Navier-Stokes que describen los fenómenos físicos que son objeto de estudio. Este paso garantiza que el modelo matemático representa con precisión el comportamiento físico del problema, sirviendo como punto de partida para el análisis CFD.

1. Etapa de preprocesamiento: En la etapa de preprocesamiento, el software CFD convierte las ecuaciones diferenciales parciales en ecuaciones algebraicas discretas. Una actividad clave durante esta fase es la generación de mesh, en la que el dominio computacional se divide en elementos estructurados o no estructurados (por ejemplo, triángulos, cuadriláteros o tetraedros).

   Afinar el tamaño de los elementos de mesh en las regiones críticas del campo de flujo, sobre todo cerca de los límites o en las zonas de alto gradiente, garantiza una representación más precisa de los fenómenos físicos. Este paso influye directamente en la calidad y precisión de los resultados de la simulación.

2. Etapa de procesamiento: Durante la etapa de resolución, el software de simulación CFD resuelve numéricamente las ecuaciones algebraicas generadas en la fase de preprocesamiento. El proceso de simulación está muy influido por varios factores que determinan el tiempo de cálculo y la precisión, entre ellos:
   • Capacidades de hardware de la computadora, como la velocidad del procesador y la memoria
   • Técnicas de vectorización y paralelización, que optimizan la velocidad de cálculo
   • Estructuras de datos, que garantizan un tratamiento eficaz de los datos
   • Criterios de parada, que definen la convergencia y la finalización de la simulación
   • Tamaño y calidad de la mesh, así como resolución temporal para simulaciones transitorias
   • Lenguaje de programación, que afecta a la eficacia y ejecución del código

   Los ingenieros también pueden ajustar varios parámetros de simulación para optimizar el análisis para su aplicación específica.

3. Etapa de postprocesamiento: La etapa de postprocesamiento se centra en el análisis y la interpretación de los resultados de la simulación. Los datos de la simulación CFD se extraen y visualizan a través de imágenes, gráficos y tablas, proporcionando información sobre diversos parámetros. A partir de estos resultados, los ingenieros pueden determinar si son necesarias más pruebas, optimizaciones o rediseños. Un posprocesamiento eficaz es fundamental para comunicar los resultados e identificar los pasos a seguir, ya sea para validar el diseño, mejorar el rendimiento del sistema o solucionar problemas.

Resolver los puntos calientes térmicos

Las simulaciones CFD ofrecen un alto nivel de precisión y valiosos conocimientos en comparación con los experimentos físicos, especialmente en el caso de sistemas de flujo complejos en los que detectar puntos calientes térmicos es todo un desafío. Los puntos calientes térmicos son regiones localizadas con temperaturas significativamente superiores a las de su entorno. Si no se solucionan, estos puntos calientes pueden provocar una acumulación de calor con el paso del tiempo, con graves consecuencias como fallos del sistema, averías o daños irreversibles en el producto. Estos problemas pueden comprometer la duración de los dispositivos electrónicos y poner en peligro la seguridad de los usuarios.

Mediante el uso de simulaciones térmicas CFD, los ingenieros pueden prever y visualizar con precisión la distribución térmica en el diseño de un producto. Esta capacidad permite la identificación temprana de posibles puntos calientes térmicos. Con esta información, pueden introducirse modificaciones específicas en el diseño, como mejorar los mecanismos de disipación del calor, optimizar las propiedades de los materiales o reconfigurar las vías de flujo de aire, para evitar una acumulación excesiva de calor. Como resultado, el sistema se vuelve más resistente a las tensiones térmicas, lo que reduce la probabilidad de daños y prolonga su vida útil.

Ahorro de tiempo y dinero con CFD

Los ingenieros se esfuerzan continuamente por desarrollar productos electrónicos de mayor rendimiento, pero la decisión de proceder a la producción en serie depende a menudo de los resultados de rigurosas pruebas en el mundo real. El proceso de diseño de la electrónica moderna es cada vez más intrincado, con productos cada vez más compactos que requieren importantes inversiones de tiempo y recursos para desarrollar incluso un solo prototipo. Una vez fabricado un prototipo, se somete a pruebas de deformación térmica para evaluar su durabilidad, propiedades físicas y rendimiento en el mundo real. Solo los prototipos que superan estas pruebas pasan a la producción en serie, mientras que el fracaso supone la pérdida total de la inversión inicial.

La CFD ofrece una potente alternativa al permitir la simulación de las condiciones del mundo real en modelos virtuales de productos electrónicos. Gracias a la CFD, los ingenieros pueden realizar análisis de transferencia térmica en sus diseños, identificar problemas térmicos y perfeccionar el modelo sin necesidad de prototipos físicos. Este proceso iterativo de simulación proporciona resultados precisos, incluidas visualizaciones detalladas de los patrones de flujo y la distribución térmica, permitiendo comprender de manera más exhaustiva los sistemas complejos de flujo y transferencia térmica que las pruebas físicas tradicionales.

Conclusión:

Al aprovechar las simulaciones CFD, los ingenieros pueden optimizar eficazmente los diseños de los productos, reduciendo el tiempo y los costos asociados a la creación de prototipos físicos. Este planteamiento minimiza el riesgo de fallos, acelera el proceso de desarrollo y garantiza que el producto final esté listo para la fabricación en serie con mejores prestaciones y fiabilidad. Si tiene alguna duda sobre dónde y cómo empezar con CFD, los servicios de diseño térmico y la gama de componentes de gestión térmica de Same Sky están aquí para ayudarlo.