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Zylinderspule3D.mac

Hallo!
Zum Verstehen eines komplexeren 3D-Problems möchte ich eine ziemlich simple Zylinderspule modellieren, um thermale Verluste zu ermitteln. Dazu habe ich schlicht einen Zylinder gebaut, diesen "aufgeschnitten" und die Schnittflächen dann an Spannung angelegt (Siehe Quellcode). Nun weiß ich nicht, ob dies der korrekte Weg ist, da ich zumeist Werte in absurder Höhe ablese, und möchte deswegen fragen, ob jemand über den Code drüberschauen kann, bzw. die angewandte Art und Weise der Spulensimulation zu verbessern weiß oder mir einfach nur Tipps in dieser Richtung geben könnte  

Vielen Dank schonmal im Voraus!

Mit freundlichen Grüßen
Robin

[Diese Nachricht wurde von RobinG am 10. Mai. 2012 editiert.]

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Na, so geht es vielleicht doch nicht.
Zu empfehlen wäre FEM für Praktiker Band 4 Elektrotechnik, obwohl ein solches Beispiel dort direkt nicht enthalten ist. Meist schließt sich die thermische Berechnung an die elektrotechnische an.
(Wenn keine Wärmeabgabe programmiert wird, muss die Temperatur bei einer stationären Lösung gegen unendlich gehen.)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Okay, das mit der Wärmeabgabe erklärt schon mal vieles 
Vielen dank für die schnelle Antwort!

Noch eine andere Frage: Wenn bei einer Simulation der magnetischen Eigenschaften beim gleichen Modell auch die Joule Heat Generation der Spule als Output gegeben ist, könnte ich diese prinzipiell auf die Thermische Simulation übertragen, um das Ganze zu vereinfachen, oder wäre das Schwachsinn?

Mit freundlichen Grüßen
Robin

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Zitat:

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Wenn bei einer Simulation der magnetischen Eigenschaften beim gleichen Modell auch die Joule Heat Generation der Spule als Output gegeben ist, könnte ich diese prinzipiell auf die Thermische Simulation übertragen

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Ja, so macht man das normalerweise.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Zylinderspule.mac

Hallo nochmal!

Ich habe der Antwort meiner zweiten Frage entsprechend den Code so angepasst, dass die Spule die Joule Heat Generation als Input nimmt. Ist dies so, wie ich es jetzt gemacht habe, korrekt oder fehlt da noch irgendwas?

Mit freundlichen Grüßen
Robin

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Üblicherweise wird die umgebende Luft bei der thermischen Rechnung nicht mitmodelliert, sondern auf der Oberfläche der Wicklung die Konvektion vorgegeben.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Klingt einleuchtend, allerdings habe ich bei dem "komplexeren Problem" noch andere Bauteile, die nicht direkt mit der Spule verbunden sind.
Wäre es denn trotz der "üblicherweise" benutzten Vorgehensweise so korrekt?

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Ok, ich habe mal das mit der Konvektion versucht. Dabei habe ich die Luft raus genommen und per sf,(Entsprechende Knoten),conv,10,20 eine Konvektion an die Knoten der Oberfläche der Spule angelegt, mit der Annahme, dass es nur von stehender Luft umgeben ist (Wert aus einer Tabelle in FEM für Praktiker Band 3 entnommen) .
Allerdings steigen die Werte dabei wieder viel zu hoch. Das ganze erscheint nur dann sinnvoll, wenn ich Wärmeübergangszahlen von 500-1000 nehme, wie es in manchen Beispielen gemacht wird. Aber warum sollten solche Werte verwendet werden?
Liege ich bei der Konvektion völlig falsch oder fehlt mir noch irgendetwas?

Bzw. gibt es eine Beispielsimulation, die Luft beinhaltet? Das würde wahrscheinlich auch einiges klären.

[Diese Nachricht wurde von RobinG am 21. Mai. 2012 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von RobinG am 21. Mai. 2012 editiert.]

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Ruhende Luft ist eine sehr gute Wärmeisolation. Wenn Konvektionswerte von Wasserkühlung angenommen werden müssten und das Objekt real mit Luftkühlung auskommt, ist etwas an der Modellbildung nicht in Ordnung. Aber was soll man da orakeln?

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Nun, wenn die Konvektion korrekt ist, bleibt ja eigentlich nur die Wärmeerzeugung als Fehlerquelle übrig. Mit der Annahme, dass die vorangegangene magnetische Simulation korrekt ist (Diese entsprach realen Werten), habe ich schlicht die Joule Heat Generation grafisch in der Lösung angezeigt, welche in den Spulen überall konstant war, und anschließend diesen Wert auf alle Knoten der (eigentlich gleichen) Spule in der thermischen Simulation übertragen.
Könnte hier die Fehlerquelle liegen? Kann ich das tatsächlich so einfach ablesen?

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Die Übertragung wird üblicherweise mit ldread,hgen,..... gemacht, wobei noch die Art der vorangegangenen elektrischen Analyse und die Identität der Netze beider Modelle wichtig ist.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Erstmal vielen Dank für die geduldigen Antworten!

Mit der Identität der Netze meinen Sie die Vernetzungsgröße/Vernetzungsart? Diese müsste dann ja übereinstimmen...?

Was wäre denn der Unterschied zwischen meiner Vorgehensweise und diesem Befehl?

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Nun, groß ändern tut sich das Ergebnis bei mir auch mit ldread,hgen nicht, es entstehen weiterhin viel zu hohe Temperaturen.
Gibt es vielleicht Beispiele, in denen so eine Übertragung behandelt wird?

Außerdem bleibt immer noch die Frage offen, wie ich das mit umgebender Luft behandeln würde... Wenn man, wie ich es in dem hochgeladenen Code getan habe, eine Umgebungstemperatur per da,,temp an den Außenflächen der Luft angeben würde, wäre das Ergebnis ja von der "Größe" der Luft abhängig, was mir ziemlich falsch erscheint.
Allerdings hat sich bei allem anderen, das ich versucht habe, nicht mal eine Temperaturverteilung gezeigt.
Es muss doch auch einen Weg geben, um die umgebende Luft ebenfalls darstellen zu können...?

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Ohne Quelltext eines (abgerüsteten) Beispiels bleibt das eine Raterei.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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3Dmag.mac 3Dtemp.mac

Okay, dann hier das Beispiel mit der bereits gezeigten Zylinderspule, einmal magnetisch und einmal thermal mit Zugriff auf die Wärmeentwicklungs-Ergebnisse der magnetischen Simulation per ldread,hgen.

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In den Hinweisen stand:

Zitat:

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und die Identität der Netze beider Modelle wichtig ist

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Das in der magnetischen Analyse verwendete Element solid97 ist ein 8-Knoten-Quader und das in der thermischen Analyse verwendete solid87 ist ein 10-Knoten-Tetraeder. Das wird mit ldread nie was. Zu solid97 passt entweder solid5,8 oder solid70.
Weiterhin ist die Spule so unglücklich vernetzt, dass sie nur außen liegende Knoten hat. Das wird mit der Konvektionsrandbedingung schlecht gehen. (Zum Test könnte man allerdings die Erwärmung ohne Randbedingung transient rechnen.)
Also: Spule unbedingt mit Hexaedern vernetzen. (Das wird besonders gut bei Viertelzylindern gehen. Die darf man allerdings nicht addieren, sondern muss sie verkleben.) Und mehrere Schichten dick machen. Dabei dürfen die Kanten der Mantelfläche der entstehenden Elemente ein Mehrfaches der Dicke betragen.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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3Dtemp.mac

Wenn ich die Geometrie/Vernetzungsart wie hier beschrieben in der thermalen Simulation ändere, muss ich sie dann auch in der magnetischen Simulation entsprechend anpassen, damit ldread richtig funktioniert?

Und: Etwas sinnvolles entsteht leider immer noch nicht, deswegen habe ich die "aktuelle" Version, jetzt mit Solid70, noch einmal angehängt.

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RobinG3Dmag2.txt

Hier die leicht ergänzte Fassung.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Sehr vielen Dank!
Das sieht auf jeden Fall schon mal besser aus als meine Ergebnisse. Ist es auf diesem Weg auch möglich, die umgebende Luft/umgebende Bauteile mit einzubeziehen oder ist das Anlegen der Konvektion dafür nicht ausgelegt?

Außerdem: Welchen Zweck hat tunif,20? Ich habe diesen Befehl auch schon in anderen Beispielen gesehen, allerdings sehe ich keinen Unterschied, wenn ich ihn auskommentiere.

Weiterhin noch eine Frage: Bei Anwendung auf mein "komplexeres Problem", wobei ich auch nur die Spulen beachtet habe (Eigentlich möchte ich jedoch auch umgebende Luft/Bauteile beachten), kam trotzdem eine Temperatur von 5000 heraus. Könnte dies daran liegen, dass ich dort eine Spule mit mehreren aufeinander liegenden Windungen verwende, im Gegensatz zu der einfachen Spule mit einer Windung, die wir im Beispiel benutzen? Falls ja, kann ich dies theoretisch dadurch beheben, dass ich jede Windung als einzelne Spule betrachte, wobei diese einzelnen Spulen dann übereinander liegen, bzw. dann die Konvektion auf jede einzelne Windung anwende?

[Diese Nachricht wurde von RobinG am 31. Mai. 2012 editiert.]

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Es ist zu empfehlen, das Beispiel gründlich daraufhin anzusehen, was gegenüber der ursprünglichen Fassung ergänzt wurde. (Randbedingungen!)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Nach näherer Betrachtung Ihrer ergänzten Fassung ist mir aufgefallen, dass das "relativ normale" Ergebnis einzig durch die enorme Verringerung des Stroms zustande kommt (Ein hundertstel vom Strom wird benutzt).
Alle anderen Änderungen scheinen keinen Effekt auf die Temperatur zu haben. Allerdings möchte ich keineswegs ein akzeptables Ergebnis durch diese geringere Stromstärke erreichen, da man ja annehmen könnte, dass man auch mit einer "maximalen" Stromstärke in der Spule Temperaturen erreichen würde, die nicht im Tausender-Bereich liegen.
Deswegen meine Frage: Weswegen verwenden Sie hier diese Verringerung der Stromstärke?

[Diese Nachricht wurde von RobinG am 01. Jun. 2012 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von RobinG am 01. Jun. 2012 editiert.]

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Die Stromdichte ist nicht verändert worden. (Nur zu Testzwecken mal halbiert.)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Die Variable der Stromdichte haben Sie nicht verändert, jedoch benutzen sie für die Realkonstante des Schaltungselements nur, wie gesagt, ein hundertstel der Variable der Stromstärke.
"r,2,-strom/100"
Dadurch hat man, meines Verständnisses nach, effektiv auch nur ein hundertstel der Stromdichte.

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Im Moment kann ich das nicht überprüfen. Aber:
Die Stromdichte in Wicklungen für Dauerbetrieb beträgt üblicherweise 3 bis 6 A pro Quadratmillimeter.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Naja, mit solchen Werten wäre jegliche Funktion laut Simulation dahin 

Das Bauteil meiner Simulation hält real Stromdichten weit über diesem Wert aus, nämlich bis zu 600A/mm² (getestet). Bei dieser Stromdichte macht die Simulation allerdings nicht mit.
Da es auf dem Weg der Konvektion bei mir scheinbar nicht wirklich hinhaut: Gibt es vielleicht noch Alternativen dazu, um eine Spule thermal zu simulieren (Insbesondere da ich ja immer noch die Luft einbeziehen möchte, und dies bei der Konvektion auch nicht wirklich funktioniert)?

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Aber doch nicht im Dauerbetrieb!

Die Rechnung macht jede Stromdichte mit!
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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

[Diese Nachricht wurde von wosch am 05. Jun. 2012 editiert.]

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Nun, ab wann kann man denn von einem Dauerbetrieb sprechen?
Die Spule hat das >10s ohne merkliche Erwärmung ausgehalten.

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Ja, dann darf man thermisch auch nur 10 s rechnen!!

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Hallo Robin,

ohne Dein Problem jetzt im genauesten stud. zu haben) Du hast ein Strömungsproblem. Deine Konvektion und auch Dein Wärmeleitwert der Luft bleiben im Realen nicht konstant über der Temperatur. Die Luft hast Du in Deinem Modell nur als Festkörper abgebildet. In Wirklichkeit hast du eine Strömung. Das kannst Du in Deinem Modell abbilden (vereinfacht) wenn Du den Wärmeleitwert des(Fest-)Körpers Luft erhöhst, sog. scheinbare Wärmeleitung, da Du ja keine Strömung simulierst. Schau mal im VDI Wärmeatlas oder in spez. Literatur.
In Deinem Modell muss ja die Temp. der Spule hoch sein. Du hast ja eine Wärmequelle (ohmsche Wärme) mit einem Isolierkörper umhüllt. Mach mal ne kleine Handrechnung.
Das ist ganz sinnvoll um einen Eindruck über die ganzen Größen zu bekommen.

Gruß,
Joachim

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Naja, bis jetzt habe ich ja auch noch keine Möglichkeit, die Wärme aus der Spule ordentlich  in die Luft zu übertragen... Wenn ich den Wärmeleitwert der Luft erhöhe, passiert da nicht viel.

Wäre das dann eine transiente Simulation, wenn man nur mit 10 Sekunden rechnet? Kann man da die auskommentierten Stellen aus Ihrem Code einfach einkommentieren oder braucht man da noch etwas mehr?

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wick_therm.txt

Hier im Anhang ein funktionierendes Beispiel!

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Wer stellt denn Spulen mit einem Durchmesser von 200 Mikrometer (die mit einem Strom von 10 A belastet werden können) her?

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Hallo!
Vielen Dank für das Beispiel, zwar bleiben die Temperaturen laut Simulation bei meinem Strom weiterhin bei solch hohen Werten, allerdings könnte es auch sein, dass es irgendwo einen Denk/Rechnungs/Kommunikationsfehler gibt.
Übrigens muss ich meine Aussage über den Test der Spule verbessern: Natürlich gab es eine "merkliche Erwärmung", diese war auch ziemlich nahe an der Grenze zu dem, was die Spule aushält ohne "kaputt zu gehen" - Was man daran sah, dass sie bei weiterer Erhöhung des Stroms  "abgeraucht" ist. Allerdings würde ich diese "merkliche Erwärmung" niemals bei über 1000 °C einschätzen   
Was mir jetzt erstmal wichtiger ist, ist die Simulation der umgebenden Luft. Ich experimentiere schon die ganze Zeit über mit den Beispielcodes herum, allerdings will es mir überhaupt nicht gelingen, überhaupt eine "normale" Übertragung der Temperatur von der Spule in die Luft zu simulieren. Zumeist besitzt dann die Luft einfach genau wie die Spule eine konstante Temperatur oder die Ausbreitung wird "größer" je größer ich die Luft simuliere - Was ja eigentlich nicht wirklich gewollt wäre.
Also die Frage(n): Gibt es die Möglichkeit, die Luft richtig dazu zu simulieren? Gibt es Beispiele dafür?
Zur Klärung warum ich dies möchte: In der Simulation steht noch ein weiteres, nicht stromdurchflossenes Bauteil, bei dem die Erwärmung durch die Spule untersucht werden soll.

Viele Grüße
Robin

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Welchen Durchmesser hat die Wicklung denn nun?

Bezüglich der umgebenden Luft hat doch Joachim schon alles gesagt. Das ließe sich nur mit einer (Luft-)Strömungsberechnung machen. (Und das wird aufwendig.) Wenn Nachbarbauteile mit erwärmt werden, gibt es als Ursache noch die Wärmestrahlung. Und die ist mit ANSYS machbar. Aber man sollte sich vorher den Strahlungsanteil (vor allem bei den niedrigen Temperaturen) klarmachen.
Das zusätzlich zu untersuchende Bauteil wird doch wohl nicht nur über die Luft mit der Spule zusammenhängen, (denn dann würde es ja herunter fallen.)
An dem Bauteil ließe sich allerdings auch eine Konvektionsrandbedingung ansetzen.

Man kann nicht etwas modellieren wollen, was es in der Realität nicht gibt!

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Natürlich schweben die Bauteile nicht, sie sind von einer Isolation umschlossen, die sich magnetisch ähnlich wie Luft verhält.

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Welchen Durchmesser hat die Wicklung denn nun?

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Die Wicklung meines Bauteils?
Ich habe eine Spule mit mehreren übereinander liegenden Wicklungen die jeweils einen Durchmesser von 100µm haben.

Würde das denn mit der Wärmestrahlung funktionieren, wenn das umgebende Material eine Isolation ist?  Und wo kann ich da gute Beispiele finden?

[Diese Nachricht wurde von RobinG am 13. Jun. 2012 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von RobinG am 13. Jun. 2012 editiert.]

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Und warum wird dann im Programm ein Radius von 0.1 mm angesetzt, obwohl der Durchmesser 0.1 mm ist?

Mit den einem Grundlagenbuch der Wärmelehre lässt sich abschätzen, wieviel Leistung bei welcher Temperatur und welcher Fläche abgestrahlt wird. Daraus kann man vielleicht schließen, wieviel dann bei einem anderen Bauteil ankommt.

(Nach meiner Meinung ist hier nur die Berücksichtigung der Wärmeleitung sinnvoll machbar.)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Ich denke auch, dass nur die Wärmeleitung gut zu simulieren ist.
Ich hatte mal versucht die Strahlung zwischen Bauteilen zu simulieren, aber bei komplizierten Oberflächen muss Ansys ziemlich viel iterieren.
Das hatte ich dann abgebrochen. Strahlung in den freien Raum geht sehr gut.
Man kann aber den Wärmeleitwert entsprechend der Strahlung etwas erhöhen.
Wosch, hast Du vielleicht ein Beispiel oder Literatur zu einem solchen Problem parat. Würde mich auch interessieren.
Gruß,
Joachim

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Der Code, den ich hochgeladen hatte, war natürlich nur eine Beispielspule, mit der ich mir mein Problem erschließen wollte.

Und wie ich das Geschriebene in der Simulation umsetzen kann, weiß ich immer noch nicht. Sollte solch eine Problemstellung nicht ziemlich fundamental sein? Man hat ein Wärmeerzeugendes Material und möchte die Ausbreitung/Verteilung der Wärme in der Umgebung betrachten... Für mich klingt das eigentlich ziemlich elementar. Wieso scheint es so schwer, dafür eine vernünftige Lösung in Ansys zu finden?

[Diese Nachricht wurde von RobinG am 18. Jun. 2012 editiert.]

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Jedes reale Objekt hat unendliche viele Eigenschaften. Es obliegt nun dem Ingenieur, bei der Modellbildung zu entscheiden, welche Eigenschaften zur Lösung der anstehenden Aufgabe wesentlich sind. Und nur diese Eigenschaften sind bei einer rationellen Modellierung zu berücksichtigen.
Ein Rechenprogramm nimmt dem Ingenieur das Rechnen ab, nicht aber die Entscheidung, was alles berücksichtigt werden muss.
Deshalb darf man sich auch nicht beschweren, dass das Programm nichts taugt, sondern man muss nur dessen Möglichkeiten optimal nutzen. (Das Problem sitzt vor dem Rechner.)

Hier wurde mehrfach darauf hingewiesen, dass strömende Luft mit ANSYS behandelt werden kann. Nur macht man das eben nur, wenn eine unbedingte Notwendigkeit besteht. Für die meisten Fälle zur Abschätzung der Erwärmung einer Spule reicht die Berücksichtigung der Wärmeabgabe über die Konvektion aus.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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@Wosch und den Rest:

Sehr gut, endlich spricht jemand ein Machtwort und bringt die Sache auf den Punkt!

Fakt ist: erzwungene Konvektion (Kühlung) o.ö. macht die Sache nicht unbdingt leichter...

Grüsse,
Thomas

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-Das Leben ist ein Hilbertraum-

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Man darf als Berechner niemals eine Aufgabe unterschätzen!
Musste ich auch lernen und wohl jeder hier.

Die Wahl der richtigen Randbedingungen ist in einer Sim. entscheidend.
Das muss man sich oft erst erarbeiten.
Versuch mal dein Prob. händisch zu rechnen oder abzuschätzen.
Gruß,
Joachim

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