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  Wärmeübergänge zw. Körpern / Materialien - Thermisch Transiente Analyse

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Autor Thema:  Wärmeübergänge zw. Körpern / Materialien - Thermisch Transiente Analyse (4218 mal gelesen)
Ansys2016
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erstellt am: 06. Aug. 2016 17:13    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities


Problem.png

 
Hallo zusammen,

ich beschäftige mich seit kurzem mit "Thermisch Transienten Analysen" in Ansys Workbench.

Vorgehen:
Ein aus mehreren "Schichten" bzw. Materialien bestehender Körper wird erwärmt ("Ansys-Befehl" unter Thermisch Transient -> Temperatur).
Die Geometrie wurde importiert und den einzelnen Komponenten wurde das jeweilige Material zugewiesen (unter Modell -> Geometrie).
An den entsprechenden (Außen-)Oberflächen wurde die Konvektion (mit der Umgebung Luft) definiert.

Problem:
Der Körper erwärmt sich (viel) zu schnell.
Es stellt sich bereits nach ca. 3 Minuten ein Gleichgewichtszustand (wie in der Thermisch Stationären Analyse) ein.
Im Vergleich hierzu zeigte sich in den Versuchen auch nach mehr als der 10-fachen Zeit keine annähernde Erwärmung.
Folglich scheinen "falsche" Randbedingungen vorzuliegen.

Lösungsversuch:
Die Temperatur erhöht sich innerhalb eines Festkörpers durch Wärmeleitung.
Einen Befehl hierfür konnte ich nicht finden, weshalb dies in Ansys im Körperinnern wohl automatisch angenommen wird?

Zwischen den einzelnen Materialien sollte nun ein Wärmeleitwiderstand / Wärmeübergang definiert werden.
Leider habe ich keine Möglichkeit / keinen Befehl gefunden, um diese Übergänge zu definieren.
Unter "Modell -> Kontakte" konnte ich nur Angaben zum Reibungszustand finden.
Die Kontaktflächen unter "Modell -> Kontakte" sind korrekt eingestellt und den einzelnen Körpern sind Materialien zugeordnet.
Der Lufteinschluss wurde hierbei ebenfalls als Körper modelliert.


Ein weiteres Problem besteht darin, dass sich, selbst bei Vorhandensein einer solchen Funktion, in der
Literatur keine Wärmeübergangskoeffizienten für z.B. Stahl-Aluminium, sondern einzig für Übergänge zu Luft finden.


Welche Möglichkeiten bestehen in Ansys, um diese Materialpaarungen zu berücksichtigen?
Welche Gründe (z.B. Fehler im Simulationsaufbau) könnte es noch für eine derart schnelle Erwärmung geben?


Über eine Antwort würde ich mich freuen.

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wosch
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erstellt am: 06. Aug. 2016 19:23    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Ansys2016 10 Unities + Antwort hilfreich

Wo wird denn die Wärme und wie eingebracht?
Und wo wird die Temperatur ausgewertet?
(Vielleicht kann man das nur mit einer Strömungsberechnung ermitteln.)

------------------
Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Ansys2016
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erstellt am: 07. Aug. 2016 01:32    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Zunächst vielen Dank für Ihre Antwort Herr Schätzing.

Es handelt sich um einen zylindrischen Körper mit Boden (Napf).
Die Temperatureinbringung erfolgt punktuell im Innern des Körpers.
In der Simulation wurde dies, entsprechend der Versuchsanordnung,
durch einen mit einer konstanten Temperatur beaufschlagten Körper ("Wärmequelle") impliziert.
Die Auswertung der Temperatur erfolgt an der Außenseite der Zylinderwand.

Der Körper befindet sich hierbei in einem mit Luft gefüllten Raum (Konvektion mit ruhender  Luft).
Es herrscht keine "Luftströmung" oder ähnliches in Form von Wind vor.


[Diese Nachricht wurde von Ansys2016 am 07. Aug. 2016 editiert.]

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wosch
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erstellt am: 07. Aug. 2016 08:03    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Ansys2016 10 Unities + Antwort hilfreich

Wenn man den thermischen Kontakt (conta174,2 mit Real 14) nicht benutzen will oder kann, weil man die thermische Leitfähigkeit auch nicht kennt, könnte man provisorisch einen Luftspalt mit einer Dicke von 1/10 mm zwischen Material1 und Material2 modellieren.

------------------
Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Ansys2016
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erstellt am: 07. Aug. 2016 22:17    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Hallo Herr Schätzing,
der "thermische Kontakt (conta174,2 mit Real 14)" sagt mir leider nichts. Auch meine Recherche hierzu ergab leider keine hilfreichen Informationen.
Um was handelt es sich hierbei und wo kann ich diese Funktion in Ansys Workbench finden?

Für die einzelnen Materialien wurden die folgende Parameter bereits definiert / in der Simulation hinterlegt:
- Dichte
- Isotrope thermische Leitfähigkeit
- Spezifische Wärme

Bei meiner obigen Erwähnung ging es mir um die Wärmeübergangskoeffizienten zwischen z.B. Material 1 und Material 2 (Metall-Metall).
In der Literatur finden sich leider einzig Übergänge von Material 1 zu Luft (Metall-Luft).

Die provisorische Möglichkeit, einen Luftspalt als Übergang einzufügen, entfällt leider.
Grund hierfür ist, dass der Einfluss von Lufteinschlüssen (sowie Schmierstoff) zusätzlich untersucht werden soll (vgl. Bild im vorigen Beitrag).

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wosch
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erstellt am: 08. Aug. 2016 07:52    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Ansys2016 10 Unities + Antwort hilfreich

Wenn zwei metallische gefräste oder geschliffene Oberflächen trocken zusammengefügt werden (mit oder ohne Druck) ergeben sich immer Luftspalte. Diese sind sicherlich in ihrer Ausbildung nicht von homogener Dicke. Um überhaupt mit einem Modell Aussagen zu gewinnen, nimmt eine homogene Dicke an und bildet einen Luftspalt nach, dessen Dicke von der Art der Fügung abhängt.
Für gute Wärmeleitung zwischen den Materialien fügt man ja in der Realität  Wärmeleitpaste (oder einen Kleber) dazwischen. Im Modell wird das auch durch eine Schicht mit den Eigenschaften der Wärmeleitpaste abgebildet.
(So habe ich das bisher gemacht.)

------------------
Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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wosch
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erstellt am: 08. Aug. 2016 09:33    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Ansys2016 10 Unities + Antwort hilfreich

Wollte man den thermischen Kontakt nutzen, müsste man auch die Dicke der Schicht und die Wärmeleitfähigkeit vorgeben um den (flächenbezogenen) thermischen Widerstand einzugeben.
Dabei kann die Wärmekapazität der Schicht nicht berücksichtigt werden.
Zur Ermittlung des Einflusses des Wärmeübergangs gibt es nur eine sinnvolle  Möglichkeit:
den Übergangsbereich als Schicht modellieren.

------------------
Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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wosch
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erstellt am: 11. Aug. 2016 14:02    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Ansys2016 10 Unities + Antwort hilfreich


ansys2016.jpg


ansys2016a.jpg

 
So könnte es gehen:

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Wolfgang Schätzing

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erstellt am: 24. Aug. 2016 13:27    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Ansys2016 10 Unities + Antwort hilfreich

Hier die gewünschten bei der Berechnung mit einer Übergangsschicht verwendeten Werte:
!----Materialeigenschaften-----
mp,kxx,1,200    !Napf Aluminium
mp,c,1,420
mp,dens,1,2700
mp,kxx,2,350    !Einlage Kupfer
mp,c,2,380
mp,dens,2,8900
mp,kxx,3,0.026  !Luft
mp,c,3,1000
mp,dens,3,1.2
mp,kxx,4,0.026  !Luft
mp,c,4,1000
mp,dens,4,1.2
!----------Wärmeleitpaste------------------
mp,kxx,4, 10   
mp,c,4,600
mp,dens,4,3.7

!mp,kxx,4,0.3    !Vaseline
!mp,c,4,1800
!mp,dens,4,0.9

Natürlich kann die Behandlung mittels thermischem Kontakt bequemer sein. Aber da wird dem Ingenieur auch nicht die Definition der Eigenschaften abgenommen. Hier muss auf die Hilfe verwiesen werden:
The conductive heat transfer between two contacting surfaces is defined by

q = TCC X (Tt -Tc)

where:

q: is the heat flux per area.

TCC: is the thermal contact conductance coefficient, having units of HEAT/(TIME * TEMPERATURE) for force-based node-to-surface contact, or units of HEAT/(TIME * TEMPERATURE * AREA) for the traction-based model.

Tt and Tc: are the temperatures of the contact points on the target and contact surfaces

------------------
Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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