Blog - Thermische Simulationen: Wann FEM ausreicht

FEM-Berechnungen sind in den Berechnungsabteilungen unserer Kunden weiter verbreitet als CFD-Berechnungen. Nun gibt es insbesondere thermische Aufgabenstellungen, die sich sowohl strukturmechanisch mit FEM als auch strömungsmechanisch mit CFD berechnen lassen.

Erstellt von Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle

15.10.2020

FEM-Berechnungen sind in den Berechnungsabteilungen unserer Kunden weiter verbreitet als CFD-Berechnungen. Nun gibt es insbesondere thermische Aufgabenstellungen, die sich sowohl strukturmechanisch mit FEM als auch strömungsmechanisch mit CFD berechnen lassen.

Beispiele hierfür ist die Temperaturverteilung in Leiterplatten, Computern, Elektronikboxen, aber auch bei Messgeräten und optischen Geräten.

Oft begegnen wir dem Argument, dass der scheinbar einfachere und schnellere Weg über FEM, bei dem die Wärmeübergangswerte und die Fluidtemperaturen vorgeschrieben werden, vollkommen ausreichend ist.
Dies stimmt nicht ganz, da insbesondere bei hochpräzisen Optiken, bei denen die Temperatur einen signifikanten Einfluss auf die Präzision hat, große Unterschiede vorhanden sein können.
Aber auch bei der Kühlung von Power Supply Units PSU spielt dies eine große Rolle.

Stellen wir uns nur einen einfachen, nach unten offenen Schuhkarton vor. Entsteht nun auf der Oberseite Wärme, kann sie auf der Unterseite nicht einfach entfliehen. Es bildet sich ein isolierendes Warmluftpolster.
Die realen Temperaturen sind dann höher als die über FEM berechneten Temperaturen.

Die gemittelten Wärmeübergangswerte des Wärmeatlas sind schon hier nicht mehr geeignet, um die Verhältnisse genau abzubilden – auch wenn die Neigung der senkrechten Wand mitberücksichtigt wird.

Die beiliegenden Bilder einer Untersuchung des gleichen Modells sowohl mit FEM als auch mit CFD zeigen bei gleicher Skalierung im Verlauf erhebliche Unterschiede. Auch die maximalen Temperaturen weichen um etwa 10% voneinander ab.

Abbildung 1 Temperaturverteilung bei berechneter, freier Konvektion, CFD-Berechnung

Abbildung 2 Temperaturverteilung bei vorgegebenen Wärmeübergangswerten, FEM-Berechnung

Dieser Unterschied kann ausschlaggebend für die richtigen Schlussfolgerungen sein.

Im vorliegenden Fall übersteigen die Bauteiltemperaturen mit 87°C den für Leiterkarten oftmals als zulässig angenommenen Wert von 85°C, während die FEM-Berechnung signalisiert, dass bei einer maximalen Temperatur von 79°C alles in Ordnung ist.

Abbildung 3 zeigt, wie die warme Luft im Schuhkarton gefangen bleibt und sich aufheizt. Die Temperaturen der Luft entsprechen hier nicht mehr der Umgebungstemperatur von 25°C, sondern liegen mit ca. 40-60°C weit darüber.
Somit wird weniger Wärme abgeführt und die Bauteiltemperaturen der elektronischen Elemente steigen.

Abbildung 3 Temperatur des Strömungsfeld mit umgebender Luft im Schnitt aus zwei Ansichten

Immer wenn ein Gehäuse mit ins Spiel kommt, führt dieser Effekt zu bis zu 20% höheren Temperaturen bei der genaueren CFD-Berechnung.

Wir wissen aus einer Vielzahl von Projekten, wann ein vereinfachter Ansatz mit Hilfe der FEM ausreichend ist und wann wir auf die genaueren CFD Berechnungen zurückgreifen müssen. Natürlich spielt hier auch die erforderliche Genauigkeit eine wesentliche Rolle.

Allerdings ist es nicht mehr so, dass die CFD-Berechnung immer wesentlich aufwändiger als die FEM-Berechnung sein muss.

Wir müssen u.a. auch Bewertungen der Temperaturen an Gesamtfahrzeugen machen und stehen auch hier unter enormen Zeitdruck.
Dementsprechend haben wir geeignete Systeme und Methodiken, um auch komplexeste Modelle schnell und effizient untersuchen zu können.
Und wenn ein FE-Modell für die Genauigkeitsanforderung ausreichend und wesentlich schneller und billiger zu berechnen ist, berechnen wir Ihre thermischen Aufgabenstellungen selbstverständlich mit FEM.

Dies ist der große Vorteil eines Berechnungsdienstleisters, der in beiden Simulationswelten, Strömung und Struktur, zu Hause ist.

Mein Vorschlag an Sie:

Sie schicken mir das Ergebnis einer thermischen Berechnung über FEM samt der Anforderung, die Sie an die Genauigkeit stellen.
Wir bewerten für Sie kostenlos, ob wir in diesem Fall eine Berechnung mit FEM für ausreichend halten.

Sollten wir der Meinung sein, dass es zu einer Überschreitung der von Ihnen geforderten Genauigkeit (Maximalwert, räumliche Verteilung) kommt, bekommen Sie einen Kostenvoranschlag für die thermische Untersuchung über CFD.
Wenn Sie dann damit einverstanden sind, führen wir die CFD-Berechnung für Sie durch.
Sie bezahlen diese CFD-Untersuchung nur dann, wenn die CFD-Berechnung auch zeigt, dass der Unterschied größer als die von Ihnen gewünschte Toleranz ist.

Klingt das nach einem fairen Deal für Sie?
Dann freuen wir uns auf Ihre Anwendungsfälle.
Senden Sie mir die Daten mit dem Vermerk TestFEMCFD einfach zu.

Ihr Stefan Merkle