Thermische Simulation

Temperaturberechnungen kann man vereinfacht mit FEM berechnen, indem man die Wärmeübergangskoeffizienten und die Fluidtemperaturen vorschreibt, soweit diese bekannt sind. Oft sind diese Berechnungen aber nicht hinreichend genau. Insbesondere, wenn es sich um freie Konvektion handelt und die erwärmte Luft nicht ohne Behinderung aufsteigen kann. Auch bei hohen Temperaturgradienten im Fluid und unterschiedlichen Strömungsbedingungen sind diese verschmierten Ansätze zu ungenau.  

In diesen Fällen die Strömungssimulation über CFD der geeignetere Ansatz. Bei FEM-Methoden greift man zur Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten auf empirisch ermittelte Daten zurück, wie sie z.B. im Wärmeatlas zu finden sind. Bei der Strömungsberechnung dagegen sind die Wärmeübergangskoeffizienten ein Ergebnis. Somit ist man hier nicht auf Annahmen angewiesen und kennt auch die Strömungseigenschaften des Fluides sehr genau. 

Häufig werden die Temperaturen in der Simulation weiterverwendet, wenn wir z.B. thermomechanische Verformungen oder Spannungen bestimmen möchten. Auch sind mechanische Werkstoffeigenschaften, aber auch die thermischen Eigenschaften eine Funktion der Temperatur und müssen mit berücksichtigt werden. 

Oft ist nicht nur die Temperatur sondern vor allem die Wärmeübertragung wichtig, wie z.B. bei Wärmetauschern, beim Thermomanagement von Motoren oder der Kühlung von Leiterplatten. 

Strömungsberechnung und Strukturberechnung sind bei den meisten Firmen unterschiedliche Abteilungen, wobei die Strukturberechnung weiter verbreitet ist, als die Strömungsberechnung.  

Viele Dienstleister haben sich entweder auf den einen Bereich oder den anderen Bereich fokussiert. Eines unserer Alleinstellungsmerkmale ist, dass wir beide Verfahren gleichermaßen einsetzen, insbesondere aber auch bereichsübergreifende Themen bearbeiten und hier über ein umfangreiches Know How verfügen.  

Bei gekoppelten Simulationen FEM/CFD müssen Daten zwischen unterschiedlichen Programmen ausgetauscht werden. Beherrscht man dies, wie wir, kann man die Physik mit den geeigneten Tools lösen und ist nicht auf „Krücken“ angewiesen. 

Wir zeigen Ihnen, welche Möglichkeiten es zur Berechnung für Ihren Anwendungsfall gibt und schlagen Ihnen den richtigen Weg als Kompromiss zwischen geforderter Genauigkeit und Aufwand vor. 

Thermische Simulationen, die mittels FEM (Finite-Elemente-Methode) und CFD (Computational Fluid Dynamics) Berechnungen durchgeführt werden, sind entscheidend für die Analyse und Optimierung von Wärmemanagement-Systemen. Sie ermöglichen die Vorhersage von stationären oder instationären (transienten) Aufheizungs- und Kühlungsprozessen in verschiedenen Materialien und Strukturen, einschließlich der Erhitzung von Leiterkarten und der Erwärmung von Bauteilen. Die Simulationen berücksichtigen die Bulktemperatur sowie den Wärmeleitwert und Wärmestrom, der durch Konvektion – sowohl erzwungene Konvektion als auch freie Konvektion – und Strahlung entsteht. Die Grasshoffzahl hilft bei der Bestimmung des Konvektionstyps, während die Reynoldszahl und die Nusseltzahl für die Charakterisierung der Strömungs- und Wärmeübergangsbedingungen genutzt werden. 

Die Thermomechanik, die das Zusammenspiel zwischen thermischen und mechanischen Eigenschaften beschreibt, ist ebenso integraler Bestandteil der Simulationen, da sie Aufschluss über das Verhalten von Materialien unter Wärmeeinfluss gibt. Für die Effizienz von Wärmetauschern und Kühlsystemen, wie Kühlschlangen und Kühlbohrungen, sind diese Berechnungen essenziell. Sie gewährleisten, dass die Isolierung und Klimatisierung von Gebäuden unter Berücksichtigung der Gebäudedurchströmung und der Wärmekapazität der Materialien optimiert wird. 

Wärmedurchgangswerte (K-Wert), Wärmeübergangswerte und der Wärmewiderstand sind kritische Parameter, die in der Wärmeleitung und beim Wärmetransport, einschließlich des Transports durch Partikel, eine Rolle spielen. Diese Simulationen sind nicht nur für stationäre, sondern auch für transiente Prozesse relevant, um zeitabhängige Phänomene wie Verbrennung zu analysieren. Schließlich dient der Wärmeatlas als umfassende Quelle für thermophysikalische Eigenschaften und erleichtert die genaue Modellierung und Kopplung von Wärmeübertragungsprozessen.