Temperatur Last
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: thermal applications: loads Kategorie: 
Level 1 Temperaturfeld
Hier werden Lastgrößen für die Simulation eines Temperaturfeldes erläutert. Lasten in der Simulation von Temperaturfeldern können als folgende Größen berücksichtigt werden.
Inhaltsverzeichnis |
Wärmestrom (heat flow)
Ein Wärmestrom (heat flow) ist eine Leistung, die an einem Knoten wirkt. Dies ist eine Vorgabe, die eine Wärmequelle oder –senke darstellt. Ein positiver Wärmestrom ergibt eine Leistungszufuhr, ein negativer Wärmestrom ergibt eine Leistungsentnahme. Der Wärmestrom ist eine skalare, nicht gerichtete Größe (auch wenn grafische Darstellungen einen Pfeil zeigen, der eine Richtung repräsentiert).
Die SI-Einheit des Wärmestroms ist [W].
Ein Wärmestrom als Last an einem Knoten des FEM-Modells ergibt theoretisch lokal eine unendlich hohe Wärmestromdichte (eine Singularität). Diese Festlegung stellt einen idealen Grenzwert dar, weil durch den Wärmestrom an dem Punkt (der eigentlich keine Querschnittsfläche hat) eine unendlich hohe Wärmestromdichte (das ist Wärmestrom pro Fläche) entsteht. In der direkten Umgebung dieses Knotens ist daher keine sinnvolle Auswertung der Wärmestromdichte möglich.
Im technischen Alltag wird ein Wärmestrom an einem Knoten verwendet, um eine sehr konzentrierte Wärmequelle zu simulieren (konzentriert im Verhältnis zu den Ausdehnungen des Bauteils), zum Beispiel die Flamme eines Autogen-Schweißbrenners, Auftreffpunkt eines Laser-Strahls...
Wärmestromdichte (heat flux)
Eine Wärmestromdichte (heat flux) ist eine Leistungsdichte, die auf eine Element-Oberfläche wirkt (also eine Fläche eines Volumen-Elementes oder eine Kante eines ebenen Elementes. Eine positive Wärmestromdichte ergibt eine Leistungszufuhr, eine negative Wärmestromdichte ergibt eine Leistungsentnahme. Die Wärmestromdichte ist mit der Oberfläche verbunden, aber trotzdem eine skalare, nicht gerichtete Größe.
Die SI-Einheit der Wärmestromdichte ist [W/m2].
Im technischen Alltag wird eine Wärmestromdichte zum Beispiel verwendet für die Wirkung der heißen Herdplatte auf einen Kochtopf, ...
Konvektion (convection)
Konvektion ist die gleichförmige und gemeinsame Bewegung von Teilchen in Fluiden (z. B. Flüssigkeiten, Gase). Mit den Teilchen wird ebenfalls die in ihnen gespeicherte thermische Energie transportiert.
Die Simulation der Bewegung der Teilchen ist Gegenstand der Fluiddynamik (CFD). Diese Bewegung der Teilchen wird auch als freie Konvektion bezeichnet.
Davon abgegrenzt wird hier die Temperaturfeld-Simulation eines festen Bauteils zugrunde gelegt. Für dieses feste Bauteil kann Konvektion bedeutend sein, wenn das Fluid eine Oberfläche benetzt und dort angrenzt. Bei einem Temperatur-Unterschied zwischen dem Fluid und der Wandung des Bauteils wird an dieser Grenze Wärme übertragen. Die Wärmemenge, die dabei übertragen wird, hängt sehr stark von der Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und der Wandung des Bauteils ab. Außerdem gibt es eine Vielzahl von weiteren Abhängigkeiten (Grenzschicht-Dicke, Turbulenz, Viskosität, ..).
Im technischen Alltag wird vereinfachend von erzwungener Konvektion ausgegangen. Weitere Angaben zur Konvektion finden Sie hier.
Die erzwungene Konvektion ist eine Last, die auf eine Element-Oberfläche wirkt (also eine Fläche eines Volumen-Elementes oder eine Kante eines ebenen Elementes.
Wärmezu- oder -abfuhr, Volumenquellterme
In technischen Anwendungen können Bedingungen vorliegen, durch die an bestimmten Orten des Bauteils bekannte Wärmemengen zu- oder abgeführt werden. Diese örtliche Wärmezu- oder -abfuhr kann entweder an Punkten auftreten oder über Oberflächen oder gar im Volumen verteilt sein.
Beispiele hierfür sind elektrische und elektronische Bauteile, die an einem Punkt des Bauteils Wärme entwickeln und dort einleiten. Brenner können an den Oberflächen Energie zuführen. Im Bauteilvolumen kann etwa durch elektrische (Stromwärmeverluste), chemische (exotherme Reaktionen, z. B. Aushärten von Beton) oder kernphysikalische (Absorption von Neutronen oder anderen Strahlen) Effekte Wärme erzeugt werden. Je nachdem, ob Energie zu- oder abgeführt wird, liegen dadurch Wärmequellen oder -senken vor. Wärmequellen oder -senken sind in der mathematischen Aufbereitung und der numerischen Lösung der Temperaturfeld-Simulation in der Wärmebilanz mitzuerfassen.
Die Wärmezufuhr an einem Punkt im Simulationsmodell kann durch eine Leistung an einem Knoten (in [W]) aufgebracht werden. (Dies ist analog zu einer Kraft an einem Knoten in einer Mechanik-Anwendung.)
Die Wärmezufuhr an einer Bauteil-Oberfläche erfolgt durch eine Wärmestromdichte (in [W/m2). (Dies ist analog zu einem Druck in einer Mechanik-Anwendung.)
Volumenquellterme sind Lasten der Temperaturfeld-Simulation, die eine Wärmezu- oder -abfuhr im Volumen der Elemente darstellen. Diese Last wirkt also im Volumen eines Volumen-Elementes oder in der Fläche eines ebenen Elementes.
Eine solche Last kann sich aus verschiedenen physikalischen Effekten ergeben, zum Beispiel
- Stromwärmeverluste eines elektrischen Leiters,
- Absorption eines Laserstrahls,
- ...
(Dies ist analog zu der Gewichtskraft, die sich zusammen mit der Dichte bei einer Beschleunigung in einer Mechanik-Anwendung ergibt.)
Die SI-Einheit eines Volumenquellterms ist [W/m3].
Ein anderes Beispiel für eine solche Wärmequelle ist eine Zelle einer Li-Ion-Batterie. Je nach elektrischen Betriebsgrößen entstehen Wärmeverluste und damit eine Aufheizung im Inneren des Packs. Im Simulationsmodell wird üblicherweise eine Zelle „verschmiert“ als ein Volumen abgebildet. Die Verlustleistung ist damit verteilt in der Zelle als Wärmequell-Term abzubilden.
Wärmestrahlung
Nähere Angaben zur Berücksichtigung von Wärmestrahlung in der Simulation finden Sie hier.
Tips und Tricks
Zur Vermeidung der Singularität am Einleitungspunkt eines Wärmestroms sollte eine Wärmestromdichte als Last aufgebracht werden.
