Die Kenntnisse über auftretende Wärmeströme und Temperaturverteilungen in Medien und Bauteilen sind für die Ingenieurswissenschaften wichtig. Ein Beispiel ist die Kühlung elektronischer Geräte oder das Design thermischer und fluidischer Systeme. Weiterhin hat die Temperatur einen großen Einfluss auf die entstehenden Spannungen im Material und somit die Lebensdauer der Struktur. Denn jedes Bauteil setzt dem Transport thermischer Energie einen gewissen Widerstand entgegen.
Das FEM-Programm ANSYS stellt vier Methoden zur Strahlungsmodellierung zur Verfügung:
• Link31, ein linienförmiges Element zur Modellierung des Strahlungsaustausches zwischen 2 Punkten, auch mehrere Punktpaare möglich, für einfache Probleme
• die Elemente Surf151 und Surf152 für Oberflächeneffekte, zur Modellierung des Strahlungsaustauschs zwischen einer Oberfläche und dem umgebenden Raum
(in älteren Programmen entsprechen sie den Elementen Surf19 und Surf22)
• AUX12 - Strahlungsmatrizen, bei denen zwei oder mehr Oberflächen berücksichtigt werden
• Radiosity - Solver - Methode, für komplizierte 2-D oder 3-D Strahlungsprobleme mit zwei oder mehr Oberflächen
In dieser Arbeit werden alle Methoden mit ihren wählbaren Parametern untersucht. Die Parameter werden einzeln erläutert und ihre Auswirkungen beschrieben. Im Anschluss werden die Vor- und Nachteile jeder Methode aufgezählt.
Inhaltsverzeichnis
0 Einleitung
1 Wärmestrahlung
2 Modellierung der Wärmestrahlung
2.1 Durchführung der Simulation
3 Link31
3.1 Modellierung
3.2 Einfluss des Emissionsgrades
3.3 Betrachtung der dem Element zugeordnete Fläche
3.4 Einfluss der Elementanzahl
3.5 änderung des Formfaktors
3.6 Betrachtung der empirischen Lösungsformel
3.7 Konstruktive Vereinfachungen und Besonderheiten
4 Surf151
4.1 Modellierung
4.2 Einfluss des Emissionsgrades
5 Surf152
5.1 Modellierung
5.2 Einfluss des Emissionsgrades
5.3 Betrachtungen des Formfaktors
5.3.1 Veränderung der Berechnungsgrundlage des Formfaktors
5.3.2 Veränderung des Formfaktors
5.4 Konstruktive Vereinfachungen und Besonderheiten
6 AUX12
6.1 Modellierung
6.2 Betrachtungen der Berechnungsmethode der Formfaktoren
6.2.1 Gegenüberstellung der hidden und non hidden Methode
6.2.2 Genauigkeitsbetrachtungen bei der hidden Methode
6.2.3 Verwendung eines Sperrelementes
6.3 Verwendung eines space-node
6.3.1 Verwendung in einem offenen System
6.3.2 Verwendung in einem geschlossenen System
6.4 Simulierung zusätzlicher Flächenlasten
6.5 Konstruktive Vereinfachungen und Besonderheiten
7 Radiosity - Solver - Methode
7.1 Hemicube - Methode
7.2 Modellierung
7.3 Betrachtung der Lösungsalgorithmen der Formfaktoren
7.3.1 Gegenüberstellung der iterativen und direkten Lösung
7.3.2 Genauigkeitsbetrachtungen bei der iterativen Lösung
7.4 Modellierung der Umgebung
7.4.1 Veränderung des Emissionsgrades
7.4.2 Umgebung als Strahler
7.5 Verwendung eines Sperrelementes
7.5.1 Modifizierung des Sperrelementes
7.6 Simulierung zusätzlicher Flächenlasten
7.7 Konstruktive Vereinfachungen und Besonderheiten
8 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, verschiedene Ansätze zur Modellierung der Wärmestrahlung innerhalb der Simulationssoftware ANSYS zu evaluieren und deren Anwendbarkeit sowie Genauigkeit bei unterschiedlichen physikalischen Randbedingungen zu untersuchen.
- Vergleich verschiedener ANSYS-Elemente (Link31, Surf151, Surf152, AUX12) zur Strahlungsmodellierung.
- Analyse des Einflusses von Emissionsgraden und Formfaktoren auf die Wärmestromverteilung.
- Untersuchung der Unterschiede zwischen "hidden" und "non-hidden" Methoden bei der Berechnung von Strahlungsmatrizen.
- Evaluierung der "Radiosity-Solver-Methode" inklusive der Hemicube-Berechnung.
- Bestimmung der Auswirkungen von Sperrelementen auf das Strahlungsverhalten.
Auszug aus dem Buch
1 Wärmestrahlung
Bei der Strahlung, als einer Form der Energieübertragung wird die Energie durch elektromagnetische Wellen transportiert. Dabei stellt die Wärmestrahlung nur ein kleines Band des elektromagnetischen Spektrums dar. Die Wellen wandern mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und als einziger Übertragungsmechanismus ist für die Wärmestrahlung kein Medium erforderlich, so dass ein Wärmetransport auch im Vakuum stattfinden kann. Wärmestrahlung wird von einem Körper nur aufgrund seiner Temperatur abgegeben, bis erreichen des absoluten Nullpunktes. Der Vorgang der Strahlung ist in Abb. 2 zu sehen.
Jeder Körper sendet in Abhängigkeit von seiner Temperatur T elektromagnetische Strahlung aus. Die Wärmeübertragung durch Strahlung geschieht von der „Sender“ - Oberfläche 1 an die Umgebung oder an eine andere „Empfänger“ - Oberfläche 2. Der ausgetauschte Wärmestrom Q durch Wärmestrahlung hängt von physikalischen Eigenschaften des Oberflächenmaterials (Emissionsgrad ε), der geometrischen Anordnung der „Sender“ - und der „Empfänger“ - Oberfläche (Formfaktor F), der Größe A der Flächen und der Temperaturdifferenz ab und wird durch folgende Gleichung zusammengefasst.
Zusammenfassung der Kapitel
0 Einleitung: Einführung in die Grundlagen der Wärmeübertragungsmechanismen (Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung) und deren Bedeutung in technischen Systemen.
1 Wärmestrahlung: Physikalische Erläuterung der Wärmestrahlung als elektromagnetische Energieübertragung sowie Einführung der zentralen Gleichungen für den Wärmestrom und den Formfaktor.
2 Modellierung der Wärmestrahlung: Übersicht der vier verfügbaren FEM-Methoden in ANSYS zur Strahlungsmodellierung und Definition der Simulationsrandbedingungen.
3 Link31: Detaillierte Untersuchung des Link31-Elements zur punktuellen Simulation des Strahlungsaustauschs inklusive Parameterstudien.
4 Surf151: Analyse des 2-D Oberflächenelements zur Simulation der Strahlung zwischen Oberfläche und Umgebung.
5 Surf152: Beschreibung des 3-D Oberflächenelements zur Strahlungssimulation und dessen Modellierungsbesonderheiten.
6 AUX12: Einführung in die Matrixmethode zur Behandlung komplexer Strahlungsprobleme mit mehreren Oberflächen und Umgebungseinflüssen.
7 Radiosity - Solver - Methode: Betrachtung der Radiosity-Solver-Methode als umfassendes Verfahren inklusive der Hemicube-Berechnung und Reflexionsberücksichtigung.
8 Zusammenfassung: Gegenüberstellung der untersuchten Methoden hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile sowie Empfehlungen für den Einsatz in der Simulationspraxis.
Schlüsselwörter
Wärmestrahlung, ANSYS, Finite-Elemente-Methode, Link31, Surf151, Surf152, AUX12, Radiosity-Solver, Formfaktor, Emissionsgrad, Wärmestrom, Hemicube-Methode, Strahlungsmatrix, thermische Analyse, Simulation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Projektarbeit untersucht verschiedene Methoden zur Strahlungsmodellierung innerhalb der Simulationssoftware ANSYS.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen, thermische Simulationen mit FEM, die Bestimmung von Formfaktoren sowie die Anwendung spezieller Strahlungselemente und Solver.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Evaluierung und der Vergleich der Genauigkeit und Anwendbarkeit verschiedener ANSYS-Methoden unter variierenden Randbedingungen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine numerische Untersuchung mittels FEM-Simulationen durchgeführt, wobei verschiedene Elementtypen und Solver-Einstellungen (stationäre Analysen) systematisch variiert werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden nacheinander die Elemente Link31, Surf151, Surf152, das AUX12-Matrixverfahren und die Radiosity-Solver-Methode detailliert modelliert und analysiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wärmestrahlung, ANSYS, Finite-Elemente-Methode, Strahlungsmatrix, Formfaktor und thermische Analyse.
Was ist die Hemicube-Methode?
Sie ist ein numerisches Verfahren zur Berechnung von Formfaktoren, wobei die Umgebung in Zellen aufgeteilt wird, um Strahlungsprozesse effizienter zu modellieren.
Warum ist die Wahl zwischen "hidden" und "non-hidden" Methode wichtig?
Die "hidden"-Methode berücksichtigt verdeckte Kanten und Hindernisse (Sperrelemente), während die "non-hidden"-Methode dies vernachlässigt, was für die Genauigkeit in komplexen Geometrien entscheidend ist.
Welche Rolle spielt der "space-node"?
Der space-node wird bei offenen Systemen als Wärmesenke oder -quelle verwendet, um die Strahlung zu simulieren, die von den Oberflächen in die Umgebung abgegeben bzw. von dieser empfangen wird.
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- Dipl.-Ing. Rene Kallmeyer (Author), 2006, Untersuchungen zur Strahlungsmodellierung in ANSYS, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/79513
