Thermomanagement
Dies kann im Bereich des Automobilbaus die Motorkühlung oder die Kühlung der Bremsen sein, es kann aber genauso gut die Klimatisierung des Fahrgastraumes sein, der im Sommer gekühlt und im Winter erwärmt werden muss.
Thermomanagement dient neben dem Transport der Wärme auch der Optimierung der Leistung und der Minimierung des Verbrauchs. So müssen z.B. bei einem Getriebe die entstehende Wärme abgeführt werden, gleichzeitig muss die Schmierung aller Zahnräder und Lager gewährleistet sein. Ist zu viel Öl im Getrieberaum, sinkt der Wirkungsgrad des Getriebes.
Wärme wird meist durch erzwungene Konvektion von einem Körper zum anderen transportiert.
Bei Wärmetauscher wird die Wärme zwischen zwei Stoffströmen, z.B. Luft und Kühlwasser ausgetauscht. Bei einem Ladeluftkühler, AGR-Kühler oder einem Klimagerät (Kondensator) wird ebenfalls Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen.
Die Medien (Stoffströme) werden entweder durch Pumpen (Kreiselpumpen, Axialpumpen), Lüfter, Gebläse oder den Fahrtwind angetrieben.
In manchen Fällen, z.B. beim Nachheizverhalten eines Sportwagens im Stand spielt auch die freie Konvektion (schwerkraftgetriebene Strömung) eine Rolle. Des Weiteren muss oft die Wärmeleitung und oft auch die Strahlung betrachtet werden. Satelliten werden Wärmeströme z.B. nur über Strahlung los.
Aus Sicht der Simulation handelt es sich meistens um eine gekoppelte Simulation zwischen der Strömung und der Energie (Wärme. Es gibt aber auch Ansätze, bei denen nur die Wärmeleitung in Festkörpern betrachtet wird und die Strömung lediglich über Wärmeübergangszahlen und Fluidtemperaturen als Randbedingungen berücksichtigt wird. Dies lässt sich mit reinen FEM-Solvern lösen.
Nicht zu heiß und nicht zu kalt
Beim Thermomanagement geht es also prinzipiell darum, dass etwas die richtige Temperatur hat, also nicht zu heiß oder zu kalt wird.
Wenn Elektronikkomponenten zu heiß werden, schmelzen die Lötverbindungen und die Bauteile werden zerstört. Im ungünstigsten Fall fangen sie an, zu brennen. Bremsen velieren ab einer bestimmten Temperatur die Bremswirkung bzw. die Bremswirkung lässt stark nach.
Wird etwas zu kalt, kann z.B. Kühlwasser eingefrieren, Dichtungen funktionieren nicht mehr bzw. beim Vereisen können zu starre Behälter gesprengt werden.
Batterien und Brennstoffzellen benötigen, ebenso wie Passagiere in einem Fahrzeug, eine Wohlfühltemperatur. Die Temperierung muss so gesteuert werden, dass die minimalen und die maximal zulässigen Temperaturen eingehalten werden. Wird ein Verbrennungsmotor zu heiß, kommt es zum Kolbenfresser, wird ein Elektromotor zu heiß, schmelzen die Litzen. In beiden Fällen kann es zu Bränden kommen.
Wie kann eine Simulation aussehen?
Reine FEM-Berechnung
Bei einer reinen thermischen Berechnung werden nur die Festkörper vernetzt.
An den Benetzungsstellen werden Fluidtemperatur und Wärmeübergangswert als Randbedingungen angesetzt. Diese Werte stammen z.B. aus Quellen wie dem Wärmeatlas und wurden oft in der Vergangenheit aus umfangreichen Versuchen ermittelt und über Ähnlichkeitsbetrachtungen in Formel zusammen gefasst.
Einziger Freiheitsgrad ist in diesem Falle die Temperatur.
Die Berechnungen können stationär (für den eingefahrenen Zustand) oder transient (Aufheizen, Abkühlen) durchgeführt werden. Strahlung kann berücksichtigt werden.
Reine CFD-Berechnung
Bei der CFD-Berechnung werden sowohl die Strömungsfelder als auch die Festkörper vernetzt.
Die lokalen Wärmeübergangswerte und die lokalen Fluidtemperaturen werden berechnet. Auch hier lässt sich die Berechnung stationär oder transient durchführen. Strahlung kann ebenfalls berücksichtigt werden.
Gekoppelte CFD-FEM-Berechnung
In diesem Fall gibt es eine Berechnung des Strömungsfeldes und eine Berechnung der Struktur, die zu bestimmten Zeitpunkten Ergebnisse austauschen. Dabei fließt Wärme vom Strukturmodell ins Strömungsmodell oder vom Fluid an den Festkörper.
Hierzu setzen wir verschiedenste Solverkombinationen, z.B. Star CCM+ / TAITHERM ein.
Wir berechnen hier Gesamtfahrzeugmodelle mit Aussenumströmung und Fahrzeugdurchströmung.
Vorteile der gekoppelten Simulation sind, dass auch stationäre Strömungszustände betrachtet werden können und die Lösung der Temperaturen transient stattfinden kann.
Was sind die Vorteile einer Simulation?
Über die Simulation können bereits ohne Prototypen die zu erwartenden Temperaturen bestimmt und ggf. optimiert werden.
So können Entscheidungen getroffen werden, ob z.B. ein Ölkühler notwendig ist, bzw. wie die Kühlluftströme optimal zwischen den einzelnen Verbrauchern aufgeteilt werden können.
Verlustleistungen in der Elektronik, der Leistungselektronik, bei Computern usw. können betrachtet und optimiert werden.
Bauteile auf Leiterplatten lassen sich optimal positionieren und Entscheidungen, ob und wieviel Gebläse erforderlich sind, können bereits in der Entwurfsphase bestimmt werden.
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