Hallo,
die Wärmeübergangsrandbedingung ist - wie jede Randbedingung - eine vereinfachende Beschreibung dessen, was an dieser Stelle passiert.
Die Konvektionsrandbedingung besagt, dass eine gewisse Leistung in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz und Oberfläche abgegeben wird. Der Zahlenwert dafür ist abhängig von vielen Dingen. Der beschriebene Effekt mit der Erhöhung der Temperatur gehört dazu, aber auch die sich verstärkende Strömungsgeschwindigkeit durch das aufsteigen der warmen Luft (Kamineffekt), was je nach Strömungsrandbedingung mehr oder weniger stark ausgeprägt sein wird.
Kurz: Der Wert von 20W/m2K ist sowieso falsch. Er ist so falsch wie alle anderen Werte, die man in der Literatur findet (typisch: 2-20, bei erzwungendeer Konvektion bis 100W/m2K für Luft). Schon die Angabe eines konstanten Wertes auf allen Flächen ist nicht korrekt, über die Fläche verteilt variiert das in der Realität.
Warum macht man es dann?
Wenn man die Konvektion mit berücksichtigen will, kann man das mit Hilfe der CFD prima machen. Man modelliert dann die umgebende Luft mit, braucht aber auch entsprechende Informationen über die Strömungbedingungen (wie wird angeströmt: zugige Halle, abgeschlossener Raum, Position und Ausrichtung des Kühlkörpers usw.). Damit bekommt man mehr Aussagekraft für diese bestimmte Situation. Investiert allerdings auch mehr Zeit in die korrekte Defintion der Analyse (und auch deren Durchführung).
In der Praxis geht man daher oft her und wählt einen vereinfachenden Ansatz, die Konvektion nicht per CFD zu rechnen sondern über den Wärmeübergangskoeffizenz anzunähern. Es ist dafür aber erforderlich sich Gedanken zu machen, welchen Wert man für den Wärmeübergangskoeffizienten eingeben muss, um für typische Situationen eine passende Energieabführung zu erzielen. Ist die Wärmeleitung dominant, ist eine solche Konvektionsrandbedingung eine schnelle Näherung, die wenig Ressourcen braucht. Ist die Strömung dominant vereinfacht man damit u. U. bis zur vollständigen Verfälschung, dann wäre es also besser, die Strömung in der Simulation mitzunehmen.
Was heisst das nun für die Optimierung?
Wenn man die Wärmeabführung über den Wärmeübergangskoeffizienten beschreibt, wird mit zunehmner Oberfläche die Kühlleistung immer besser. Zumindest in der Optimierung. In der Realität nicht. Warum? Weil der Wärmeübergangskoeffizient sinkt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit sinkt. Je mehr Rippen also entstehen, desto mehr macht der Kühlkörper "dicht", deshalb helfen irgendwann zusätliche Rippen nichts mehr.
Will man diesen Effekt berücksichtigen, kommt man um eine Analyse mit CFD nicht herum.
Ich empfehle für diese Aufgabe
1. ANSYS Icepak
Darin gibt es eine Bibliothek von parametrischen Kühlkörpermodellen, die inkl. Wärmeleitung und Strömung abgebildet werden. Wenn unklar ist, wie das läuft, auf der Hannovermesse vorbeischauen, da kann man den Einfluss einer Kühlkörpervariation auf die Strömung selbst mal ausprobieren (Mini Workshop u. a. zu diesem Thema Kühlung, Kühlkörper + Strömung; ich hoffe das passt zeitlich, falls nicht: anrufen).
2. optiSLang inside Workbench
Man kann Icepak mit Version 15 parametrisch in Workbench nutzen und so einfach an optiSlang andocken. Dazu Icepak in Workbench verwenden (bzw. den Standalone-Datensatz in das Icepak Objekt in Workbench importieren) und bei der Definition von Parametern wie immer $Name definieren, Wert festlegen und anschließend in Icepak bei "Parameters and optimization" den Button "Publish to Workbench" wählen und den Datentransfer mit der Workbench definieren (Input/Output).
Viele Grüße
CG
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Christof Gebhardt
CAD-FEM GmbH
Marktplatz 2
85567 Grafing
Tel. +49 (0) 8092 7005 65
cgebhardt(at)cadfem.de
www.cadfem.de
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