Visualizzazione numerica dei flussi di convezione naturale in superfici estese

Abstract

Lo scambio termico convettivo da superfici estese rappresenta, ad oggi, il principale metodo di raffreddamento dei componenti elettronici. Metodi di raffreddamento basati sulla sola convezione naturale rivestono particolare interesse in tutte quelle situazioni dove esigenze di miniaturizzazione e silenziosità sono dominanti; costituisce inoltre una metodologia semplice affidabile ed a basso costo. Con superfici alettate, in aria e per sola convezione naturale (ed irraggiamento), si riesce a gestire una potenza termica da dissipare, per unità di superficie, di 0.1 W/cm2 con una differenza di temperatura di ΔT=80 °C Le metodologie di visualizzazione dei flussi, anche numeriche, consentono di dare indicazioni progettuali attendibili sia al problema del dimensionamento di una superficie alettata, sia agli aspetti di definizione dei volumi di lavoro ottimali per ciascun componente elettronico. Possono, inoltre, contribuire nel risolvere gli aspetti di posizionamento relativo dei componenti elettronici, termicamente più critici, all’interno di un sistema complesso come una PCB (printed circuit board). L’analisi computazionale della dinamica dei fluidi permette, dunque, di approfondire la comprensione di come il volume che racchiude il dispositivo da raffreddare influenzi l’efficienza di raffreddamento, di quale sia la spaziatura ottimale tra una serie di schede elettroniche inevitabilmente affiancate, di quanto la disposizione relativa di più componenti elettronici su di un’unica scheda madre influenzi il processo di raffreddamento. In un sistema elettronico complesso, l’indagine presentata potrà consentire, allora, sia di individuare e caratterizzare in dettaglio i componenti più critici da un punto di vista termico, sia di migliorare l’efficienza di raffreddamento complessiva attraverso semplice redistribuzione spaziale dei vari dispositivi componenti, al fine di limitare, ad esempio, la presenza di dannose sacche di stagnazione del fluido. Il lavoro illustrato è stato effettuato partendo dall’analisi di un’aletta, commercialmente disponibile, a due profili verticali per lato e di passo non uniforme (ST338K). La visualizzazione dei flussi convettivi per la struttura in oggetto è stata attuata per via numerica, sviluppando al calcolatore un opportuno modello di fluidodinamica computazionale (CFD). Particolare attenzione è stata dedicata all’analisi della fase transitoria del fenomeno convettivo, evidenziando l’evoluzione nel tempo dei flussi di convezione naturale nella fase di riscaldamento della struttura fino al raggiungimento dello stato stazionario. Per accentuare la leggibilità della zona di confine delle aree di stagnazione sono stati sistemati alcuni opportuni punti di monitoraggio (sonde numeriche) della velocità di ricircolo nel volume circostante l’aletta di raffreddamento. La risoluzione numerica del problema ha comportato una discretizzazione dello spazio in analisi. Le mesh utilizzate sono state ottimizzate secondo una struttura del tipo hexa unstructured. E’ stata condotta un’analisi non stazionaria, con un time step per la discretizzazione temporale pari a 0,001 s e 20 iterazioni per ogni time step. Ciascuna soluzione ha raggiunto convergenza con un tempo medio di calcolo di circa 13 giorni. L’analisi CFD ha consentito di monitorare l’evoluzione dello strato laminare piano, evidenziando lo sviluppo temporale delle zone di stagnazione (a bassa velocità di ricircolo) per il fluido surriscaldato in movimento convettivo. Lo scambio termico convettivo è risultato inizialmente più intenso nelle regioni laterali, successivamente la zona ad alto ricircolo convettivo si uniforma centralmente evidenziando una netta separazione con una zona inferiore di stagnazione per il fluido surriscaldato in ricircolo convettivo. E’ stato possibile evidenziare come l’aletta originale presenti un minor livello di ricircolo dell’aria fra i profili verticali nei canali laterali, oltre che un’estesa zona di stagnazione centrale. Esaminando l’evoluzione temporale del fenomeno si può osservare come la zona di separazione proceda comprimendosi verso la base dell’aletta. Viene raggiunta una fase di minima distanza dalla base dell’aletta dopo 1.5 secondi; la regione a bassa velocità di ricircolo si estende fino ad una quota di 0.0115 m. Negli istanti successivi la zona di stagnazione si espande con il posizionamento del bordo di stagnazione ad un massimo di 0.0128 m (t = 2 s). L’evoluzione temporale si conclude con un ulteriore abbassamento della zona di confine che si stabilizza a una distanza di 0.0123 m (t=3 s) pressoché mantenuta stabile fino al raggiungimento delle condizioni stazionarie ( t = 5 s). Con il modello numerico proposto sono, quindi, state analizzate due differenti proposte alternative: la prima caratterizzata un incremento della spaziatura tra i profili verticali per garantire un maggiore volume di lavoro al processo di convezione naturale nel canale laterale; la seconda caratterizzata dall’estensione della superficie di scambio termico attuata tramite l’aggiunta di un ulteriore rilievo laterale per ciascun lato. In entrambi i casi la stagnazione è risultata ridotta. Questo risultato è ottenuto a scapito della riduzione del picco di velocità di ricircolo convettivo rilevata nelle sonde numeriche posizionate a maggior distanza dalla base. Il ricircolo di convezione naturale tra i profili verticali maggiormente spaziati aumenta significativamente E’ stata rilevata una riduzione dell’estensione della zona di stagnazione dalla base dell’aletta (q=0.0053 m). L’incremento della superficie caratterizzante la seconda proposta presentata si traduce in una ulteriore riduzione di temperatura dell’hot spot ma risulta controbilanciata da un peggioramento delle prestazioni estrattive del flusso surriscaldato nei canali laterali. Entrambe le configurazioni proposte hanno prodotto un miglioramento delle prestazioni dell’aletta, portando a una riduzione sensibile della temperatura sull’hot spot. La temperatura di funzionamento nel punto caldo del sistema si stabilizza a 59.5 °C per la configurazione con due profili laterali distanziati, ed a 58.2 °C per la geometria a tre profili. Nella configurazione originale, commercialmente disponibile, la temperatura osservata si stabilizza a 60.8 °C. Sono stati, quindi, investigati gli effetti della rotazione della geometria originale. E’ stata selezionata una nuova orientazione volta a favorire la naturale spinta di galleggiamento. I risultati dell’analisi CFD hanno evidenziato zone a basso ricircolo convettivo, di stagnazione per il fluido di raffreddamento, estremamente ridotte. Questo si traduce nel raggiungimento di condizioni stazionarie in un tempo inferiore con temperature di funzionamento del punto caldo del sistema minori. Nella configurazione ruotata a 90° l’hot spot del sistema manifesta una temperatura notevolmente ridotta, a 51.2 ° C. Cambiare l’orientazione alla superficie alettata comporta purtroppo ingombri di sistema superiori e interconnessioni elettriche diverse rendendo la procedura non sempre facilmente attuabile.