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Hallo zusammen,
meine Frage ist, wie erstelle ich eine Tabelle für den Konvektionskoeffizient alpha bei der transienten Thermalanalyse, der automatischen von Ansys bei der Berechnung eingelesen wird?

Ich untersuche eine Aufheizphase eines Modells. Mein Modell besteht aus dem Element Solid 70.Die Konvektion und die Wärmestromdichte habe ich als Lasten auf die Flächen meines Modells aufgetragen. Ich simuliere mein Modell für eine halbe Stunde, daher brauche ich unterschiedliche alphas für meine Aufheizphase.

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z.B. so
u_temp=50
*dim,convect,array,5
convect(1)=5,8,11,20,50
....
....
/solu
....
....
*do,i,1,5
nsel...
sf,all,conv,convect(i),u_temp
allsel
....
....
solve
*enddo

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Hallo danke für deine Antwort, leider bin ich in der Programmiersprache von Ansys noch nicht so fit. Kannst du mir bitte das nochmal über das Menu beschreiben.
Danke

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Es gibt Grenzen für die Kompliziertheit einer Aufgabe, bei deren Bearbeitung man sich noch mit dem Menü durchwurschteln kann. Hier scheint mir diese Grenze überschritten.

Sind nicht die Konvektionskoeffizienten eigentlich temperaturabhängig und nicht zeitabhängig?
In einem solchen Fall würde man sie zu jedem Zeitschritt aus der aktuellen Temperatur mittels einer Funktion automatisch berechnen und dann vorgeben.

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Grundsaetzlich ist alpha=f(Nu) nicht zeitabhaengig. Bei freier Konvektion ist alpha=f(Gr,Pr) d.h. abh. von Grashof und Prandtl Zahl u.a. Bei erzwungener Konvektion alpha=f(Re,Pr) u.a. Wobei der Einfluss der Temperatur in alpha=f(Nu) ueber Temperaturdifferenzen und durch Stoffwerte=f(T) direkt oder indirekt praesent ist und so alpha beeinflussen kann.

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Gruesse,
Frank Exius

IFE Deutschland
Mo-Fr 9:00-18:00 Uhr durchgaengig
Dienstleistung in ANSYS ife-ansys.de
Simulation Berechnung FEM Digital Prototyping

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Hallo IFE.

Mit dem Alpha muss man aufpassen. Die "Ähnichkeitstheorie des Wärmeübergangs" (also Nußelt, Grashof, Reynolds usw.) bezieht sich auf den konvekiven Wärmeübergang!! (Quelle: Cerbe/ Hoffmann; Einführung in die Thermodynamik) Die Theorie hat meinem Verständnis nach nichts mit der Wärmestrahlung zu tun. Hier gibts ein eingenes "Strahlungs-Alpha" [Cerho, S. 352]. Somit gilt Alpha gesamt = Alpha konvekt. + Alpha Strahl. Alpha Strahl ist nur von der Farbe und Oberflächenbeschaffenheit abhängig.
In der Analyse muss also darauf geachtet werden, ob es sich um eine reine Wärmestrahlung (dann ist Alpha konstant) oder um die zusammensetzung von Konvektion und Strahlung (dann gilt der kompliziertere zusammenhang) handelt.
Falls ich mich hier irre, wäre ich für einen Hinweis dankbar.

Machts gut
Stephan

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Hallo Pfeiffi,

schon klar, das mit dem Compound-Waermeuebergangskoeffizient.
Originalbeitrag spricht aber nur von Konvektionskoeffizient, worauf ich eingegangen war.

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Gruesse,
Frank Exius

IFE Deutschland
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Hallo Ife.

Ups, hab mal wieder nicht richtig gelesen. So kanns gehen.
Aber auch mal ne grundsätzliche Frage dazu von mir:
Ich bin bisher davon ausgegangen, dass ich für eine Temperaturberechnung mit Ansys (auch Konvektion) den Wärmeübergangskoeffizienten nicht unbedingt eingeben muss. Da Ansys die DGLŽn der Thermodynamik für finite Elemente nutzt, und hierüber beliebige Geometrien darstellbar sind, müsste doch sie komplizierte Berechnung der Nußeltzahl über die Ähnlichkeitstheorie wegfallen. Mich interessiert dabei nur freie und erzwungene Strömung, Effekte von Wasserdampf auf der Oberfläche betrachte ich nicht.
Jetzt meine Frage:
Ist das so wie oben von mir behauptet oder muss ich die Ähnlichkeitstheorie immer anwenden?

Dann bis dann

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Hallo Pfeiffi,

genannte Aehnlichkeitszahlen kann man u.U. benutzen zur Ermittlung von Konvektionskoeff's. In ANSYS werden bekannte Koeff's eingegeben, als Randbedingung/Last. Dahingehende Bemerkungen waren als erganzend zu Betrag wosch gedacht, war vielleicht nicht klar.

Ein thermisches Model ohne Konvektion ist natuerlich moeglich, wenn sinnvoll: falls kein Konvektionskoeff aufgegeben, kein konvektiver Waermetransport Wand/Umgebung. Wenn keine Randbedingung, keinerlei Waermetransport an Rand, adiabat. Wenn Waermefluss an Rand als Last vorgegeben, dann Waermefluss am Rand erzwungen.

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Gruesse,
Frank Exius

IFE Deutschland
Mo-Fr 9:00-18:00 Uhr durchgaengig
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Ich würde das Thema hier gerne wieder aufbringen, da ich mich momentan mit der gleichen Problematik beschäftige und ich nicht weiter weiss.

Ich habe eine Oberfläche, die eine Anfangstemperatur = Umgebungstemperatur hat. Das Bauteil wird jedoch von unten beheizt, so dass im Laufe der Zeit sich eine andere Oberflächentemperatur einstellt. Sobald ein Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Luft besteht, müsste ja jetzt freie Konvektion stattfinden.

Wenn ich diese nun als Randbedingung eingeben möchte, dann muss ich ja den Wärmeübergangskoeffizienten (Konvektionskoeffizienten) eingeben. Den erhalte ich ja über eine relativ leichte Rechnung der Nusselt-Zahl, welche von der Prandtl und der Grashofzahl abhängt. Die Prandtlzahl von Luft ist ja bekannt, die Grashofzahl ergibt sich wiefolgt:

Gr= -beta*(T_wand - T_unendlich)*g*L³/v²

beta ist für ideale gase = 1/T_unendlich

g=fallbeschleunigung
L=charakteristische problembezogene länge
v=kinematische viskosität (für luft findet man diese ja auch in der literatur)

aus Gr und Pr erhalte ich die Raynoldzahl und mit der schließlich die Nusseltzahl und somit den Wärmeübergangskoeffizienten.

Das Problem besteht also in der Gr zahl die eine abhänigkeit der Wandtemperatur zeigt. Das bedeutet, dass sich auch letztlich der Wärmeübergangskoeffizient mit steigender Temperatur ändert in Abhängigkeit dieser Gesetzmäßigkeiten. Wie stelle ich denn diese Gesetzmäßigkeiten in der Randbedingung (Wärmeübergangskoeffizient) der freien Konvektion dar? Die Temperaturen an der Oberfläche zu den ganzen Zeitpunkten kenne ich ja nicht.

Ich hoffe ihr habt mich nachvollziehen können und ihr könnt mir helfen. Ich habe bislang nur mit der Benutzeroberfläche von Ansys 14 gearbeitet und mit keinerlei Befehlen oder ähnlichem und kenne mich in Programmiersprachen kaum aus.

Vielen Dank schonmal!

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Sind denn die zu erwartenden Temperaturunterschiede so hoch, dass es sinnvoll ist, die Temperaturabhängigkeit der Wärmeübergangszahl zu berücksichtigen? (Um wieviel Prozent würde sich die Wärmeübergangszahl ändern.)
Den größten Einfluss hat die Strömungsgeschwindigkeit des kühlenden Mediums. Ist denn diese Geschwindigkeit an jedem Ort bekannt oder müsste eine Strömungsberechnung gemacht werden?
(Kein Modell ist unendlich genau, deshalb geht der Ingenieur Kompromisse ein.)
Wenn das Anliegen wirklich realisiert werden muss, lässt sich die Wärmeübergangszahl als Funktion der Temperatur beschreiben und kann dann in eine abschnittsweise Lösung einbezogen werden.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Danke erstmal für die Antwort. Zuerst einmal handelt es sich um freie Konvektion, so dass keine Strömungsgeschwindigkeit von Interesse ist. Zu der Größe der Temperaturunterschiede sei gesagt, dass das Bauteil an der Oberfläche zur Luft anfangs die gleiche Temperatur wie die Luft selbst hat. Im Laufe der Zeit wärmt sich dieses aber auf jedenfall um mindestens 40 (wenn nicht sogar mehr) Grad auf, so dass der Temperaturunterschied schon eine Rolle spielen sollte. Ich werde gleich mal den Wärmeübergangskoeffizienten für den Extremfall (maximale Aufheizung) berechnen und gebe dann nochmal bescheid. Diese Temperaturabhängige funktion, wie realisiere ich sowas? Ich könnte mir jetzt die mühe machen, die etwas längere gleichung und die zusammenhänge der nusselt,grashof und prandtlzahl komplett auf den Wärmeübergangskoeffizienten aufzulösen (wir ne lange Formel), wenn ich denn wüsste wie ich diese Formel dann auch umsetzen kann. wie gesagt habe ich in ansys noch mit keinerlei programmiercode oder befehlen gearbeitet die über die oberfläche hinausgehen.

genauso verhält es sich mit der strahlung innerhalb des hohlen Zylinders. Wenn ich auf meine Randbedingung gehe, kann ich ja nur den Emissionskoeffizienten angeben. Für die Umgebungstemperatur kann ich eine konstante, tabellarisch oder funktion angeben. Ich dachte sinn der solcher simulationen wäre, dass das programm mir berechnet, wie sich bspw die luft in folge der Wärmestrahlung aufheizt?

[Diese Nachricht wurde von Zer0x am 05. Jun. 2013 editiert.]

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Hallo,

die Strömungsgeschwindigkeit IST bei freier Konvektion von Interesse. Mit freier Konvektion entwickelt sich eine Strömung. Und diese Geschwindigkeit ist unbekannt. Sie hängt von der Temperatur ab. Und die von der Konvektion. Wenn man das per Simulation ermitteln will, führt man eine Strömungsanalyse durch. Darin stellt sich dann die Strömung ein und man kann orts- und zeitabhängige Wärmeübergangswerte bekommen (wobei man sie nicht mehr braucht, man hat ja die Temperatur schon, höchstens für zukünftige Betrachtungen um festzustellen, variieren die Werte eigentlich, oder kann man einen Mittelwert nehmen).

Natürlich, Simulationsprogramme sollen Dinge berechnen, die ich wissen will. Und je mehr ich wissen will, desto mehr muss das Modell in der Lage sein, den Effekt abzubilden. Wenn ich keine Luft mit Strömung modelliere, kann das Simulationsprogramm darüber keine Aussage machen. Es ist eine klassische Ingenieuraufgabe, das Modell so zu wählen, dass alle RELEVANTEN Effekte in hinreichender (nicht absoluter) Genauigkeit in Bezug auf die zu lösende Frage (!) enthalten sind. Und nachdem Zeit und Geld knappe Güter sind, braucht es dafür die richtige Einschätzung bevor man eine Simulation aufsetzt. Dieser Punkt ist essentiell, er definiert wie gut, aber auch wie aufwändig die Lösung ist. Hier kann man viel Geld versenken (durch zuviele oder zuwenige Details). In unsicheren Situationen am besten erfahrene Hilfe holen. Und immer im Hinterkopf behalten: Was will ICH eigentlich? Was ist MIR wichtig? Wie relevant ist das, was ich gerade tue? Man kommt in der Simulation sehr schnell vom 100ste ins 1000ste. Nicht das Ziel aus den Augen verlieren!

Zur Frage: Die Temperaturabhängigkeit stellt man bei der Konvektion ein, indem man von "constant" auf "tabular" umstellt. Meine Vermutung ist aber, dass diese Temperaturabhängigkeit viel kleiner ist, als die Unschärfe des Basiswerts an sich. Ich werfe mal einen über unterschiedlichste Modelle gewonnenen Erfahrungswert von 5-10 in die Runde. Wo liegt denn die Bandbreite der analytisch berechneten Werte (geometrie-, temperatur-, ...abhängig)?

Gruß
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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FEM_Problem.JPG

Ok, ich glaube ich habe langsam den Überblick verloren. Ich vereinfache jetzt einfach mal das Beispiel, damit es vielleicht leichter für mich wird nachzuvollziehen ob ich nun die Konvektion benötige oder nicht.

Ich poste einfach mal das Bild, damit es einfacher zu verstehen wird (für euch und mich). Da seht ihr den Zylinder, der nach oben hin geschlossen ist. er und daas Pulverförmige Material werden von unten mit 80 Grad beheizt.

ZIEL: ich möchte wissen, nach welcher ZEIT die Temperaturverteilung annähernd STEADY STATE ist, also wann sich kaum noch etwas mit der Temperatur des Zylinders tut.

Meine Randbedingungen seht ihr ja. Ich denke das die Konvektion in diesem Fall doch berücksichtigt werden muss. Dafür benötige ich den Wärmeübergangskoeffizienten.

Ich habe eine Exceldatei geschrieben, die mir diesen auch in Abhängigkeit der Wandtemperatur (die Temperatur oben vom Pulver und Zylinder) berechnet.

Bsp mit konkreten werten:
Umgebungstemperatur 20 Grad
Wandtemperatur 22 Grad

damit erhalte ich einen Wärmeübergangskoeffizienten für das Pulver 5,7 und für den Zylinder 30!
Wenn ich jetzt mal die Temperatur für den Extremfall (dass auch oben eine Temperatur von 80 Grad erreicht) berechne, ergibt sich für das Pulver 10 und für den Zylinder knapp 60.

Das zeigt, wie sehr der Wärmeübergangskoeffizient von der Temperatur der Wand abhängt und daher wollte ich das nicht unberücksichtigt lassen. Ich dachte einfach das die Konvektion einen Einfluss auf die Aufwärmung des Bauteils hat, ist das so oder nicht? Weil die Luft kühlt ja gewissermaßen das Bauteil von oben ab, jedoch im Laufe der Zeit immer weniger, da die umgebende Luft erwärmt wird. Vielleicht (sehr wahrscheinlich) habe ich da einige Denkfehler (Wissenslücken).

Viele Grüße

p.s. nicht an den Werten auf dem Bild (Wärmeübergangskoeffizient) stören lassen, die wurden mittlerweile korrigiert.

[Diese Nachricht wurde von Zer0x am 05. Jun. 2013 editiert.]

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Wenn das Bild suggerieren soll, dass die Büchse völlig in Pulver eingebettet liegt, ist nur an der Pulveroberfläche nach oben Konvektion anzusetzen, (vorausgesetzt, der Pulverkasten ist sehr groß).

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Ja, so habe ich es doch auch angegeben. Die Konvektion taucht nur für die der Zylinderoberfläche und der Pulveroberfläche getrennt auf. Allerdings habe ich diese jetzt gemittelt, da die Konvektion des Pulverbetts (wegen den kalorischen Flächenanteil) die des Zylinders deutlich überlagert und somit einen deutlich größeren Einfluss hat.

aus Interesse: wieso der Hinweis das die Fläche entsprechend groß sein muss? Denn ich habe den Wärmeübergangskoeffizienten für die kleine Zylinderfläche berechnet und der war viel zu groß (daher das Interesse).

[Diese Nachricht wurde von Zer0x am 06. Jun. 2013 editiert.]

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