Thermischer Kontakt

Aus ESOCAETWIKIPLUS

engl: thermal contact          Kategorie: Level 3 Temperaturfeld Theorie

Thermischer Kontakt ist die Auswirkung einer möglichen Berührung von Teilen des Modells auf die Temperaturverteilung und die Wärmeübertragung im Bauteil bei einer Temperaturfeld-Simulation.

Grundlage des thermischen Kontaktes ist der Kontakt als eine Nichtlinearität in einer Berechnung der Strukturmechanik.

Die Verschiebungen der Teile des Modells haben Auswirkungen auf die Wärmeübertragung diesen Teilen.

Der thermische Kontakt wird im Temperaturfeld berücksichtigt. Maßgebend hierfür ist aber die Verschiebung der Teile des Modells und damit der Freiheitsgrad der Strukturmechanik. Daher müssen entweder

• beide Physik-Bereiche in der Simulation abgebildet werden (Multiphysik-Anwendung) oder
• der aktuelle Kontaktzustand (offen oder geschlossen) muss durch die Geometrie (die Abmessungen) oder durch Steuerung des Kontaktes vorgegeben und festgelegt werden.

Wenn sich die Teile des Modells berühren und Temperaturdifferenzen vorhanden sind, dann wird Wärme direkt von Oberfläche zu Oberfläche übertragen. Wenn sich die Teile voneinander entfernen, tritt keine direkte Wärmeleitung zwischen den Teilen auf, Wärme kann dann nur indirekt durch andere Effekte übertragen werden.

Wärmeübertragung bei geringem Abstand

Geringer Abstand soll hier bedeuten, dass sich die Teile berühren oder so dicht zueinander stehen, dass durch das Medium dazwischen Wärmeleitung auftritt.

Unter diesen Bedingungen wird die Wärmeübertragung von Oberfläche zu Oberfläche vereinfacht wie eine Konvektion idealisiert. Die Wärmemenge ist dabei proportional zu der Berührungsfläche, zur Temperaturdifferenz und zum Kontakt-Leitwert (thermal contact conductance TCC). Dieser Leitwert kann wie ein Wärmeübergangskoeffizient verstanden werden. Ein großer Wert von TCC repräsentiert eine gut leitende Verbindung. Damit wird der Temperaturverlauf an der Kontaktgrenze kaum gestört. Ein kleiner Wert von TCC repräsentiert eine schlecht übertragende (isolierende) Grenze zwischen den Teilen des Modells. Dadurch wird der Temperaturverlauf an der Kontaktgrenze eine deutliche Stufe aufweisen. Eine Größenordnung von "groß" oder "klein" kann aus der Wärmeleitfähigkeit des angrenzenden Materials und der Elementgröße abgeleitet werden.

Wärmeübertragung bei größerem Abstand

Größerer Abstand soll hier bedeuten, dass sich die Teile nicht berühren und so weit voneinander entfernt sind, dass keine Wärmeleitung von einer Seite zur anderen Seite auftritt.

Es kann trotz des Abstandes eine Wärmeübertragung durch Konvektion über das Medium dazwischen oder durch Strahlung geben. Diese Effekte können meistens weniger Wärme zwischen den Teilen des Modells übertragen als die Leitung bei geschlossenem Kontakt. Daher werden sie bei offenem Kontakt meistens pauschal im Simulationsmodell abgebildet als

• Konvektion zum umgebenden Medium (mit Vorgabe der Mediumtemperatur) und
• Strahlung von der Oberfläche zur Umgebung (mit Vorgabe der Umgebungstemperatur).

Beispiel

Eine Fernwärmeleitung (dunkelrot) enthält ein heißes Medium (rot). Das Rohr ist in einem Außenrohr (dunkelblau) geführt. Zwischen beiden Rohren ist eine Isolierung (grau) angeordnet. In Abständen sind Abstützungen vorgesehen (Dunkelrot, speicherförmig nach außen gerichtet). Zwischen Abstützungen und Außenrohr ist ein Abstand vorgesehen. Der Abstand trennt Abstützung und Außenrohr auch thermisch voneinander. Wenn das Innenrohr warm wird, wird durch die Wärmeausdehnung dieser Abstand überbrückt, es kommt zur Berührung zwischen Abstützung und Außenrohr. Dadurch wird Wärme abgeführt, die Abstützung und das Innenrohr werden kühler, der Spalt öffnet sich wieder. Hierbei entsteht eine physikalisch bedingte "Schwingung", also eine alternierende Zustandsänderung. In solchen Fällen ist es möglich, dass die Simulation aus diesen physikalischen Gründen schwer oder nicht konvergiert.