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Hallo zusammen,

ich habe ein Problem vor der Brust bei dem ich zunächst die Stromdichteverteilung in einem Bauteil und daraus resultierend die Temperaturverteilung des Bauteils berechnen möchte. Da dies mein Einstieg in Ansys ist bin ich mir im Moment noch nicht einmal sicher, welches Modul von Ansys ich hierzu am besten her nehme.

Kurz zur Beleuchtung des Hintergrundes und der geplanten Vorgehensweise:

Zur durchführung eines Experimentes benötige ich ein elektrisch beheiztes Bauteil. Es soll beim Experiment eine Fläche des Bauteils dann gekühlt und dabei Messungen vorgenommen werden.
Die Ansys Berechnung soll nun zunächst dazu dienen das beheizte Bauteil auszulegen. Das Bauteil wird am Ende ein etwas komplexer geformtes 3D Teil sein, das sich wahrscheinlich nicht einfach auf einen 2D Schnitt bzw ein Achsen oder rotationssymmetrisches Teil reduzieren lassen wird. Zur Aulegung dieses Teils ist es wichtig, dass ich eine Vorab Berechnung mache um abschätzen zu können, ob bestimmte (ungekühlte) Bauteilbereiche eine Grenztemperatur überschreiten oder nicht.
Da die Beheizung mit Wechselstrom (50Hz) stattfinden wird und die ungekühlte Oberfläche im End-zustand einige geometrische Unstetigkeiten aufweist ist meine "Befürchtung" die ich gerne ausräumen möchte (bzw. Informationen für eine diesbezüglich möglichst günstige Bauteilgestaltung erhalten möchte), dass an diesen unsteten Stellen möglicherweise die Stromdichte und dadurch die Temperatur gegenüber den geometrisch stetigen Bereichen erhöht sein wird. Eine überschreitung der Grenztemperaturen würde ich vorab dann genau an diesen Stellen befürchten. Genau diese Fläche des Bauteils mit den Unstetigkeiten wird es auch sein in dessen Richtung der Strom sich verdrängen wird.

Aus älteren Beiträgen im Forum habe ich schon entnommen, dass ich die Skintiefe für diesen Fall vorab abschätzen sollte und einen Bauteilbereich der größer als diese Skintiefe ist recht fein vernetzen sollte, das sollt ehŽ(hoffentlich) kein Problem sein.

Als Vorgehen habe ich mir folgendes vorgestellt:
Zuerst simuliere ich ein einfaches Rohr, für das ich die Stromdichtenverteilung auch von Hand rechnen kann. Hiermit kann ich das Ergebnis der Stromdichtenverteilung kontrollieren. Im realen Versuchsaufbau kann ich zunächst auch ersteinmal ein einfaches Rohr bestromen und sich das entstehende Temperaturfeld mit dem der einfachen Rohr-Simulation vergleichen.
Schrittweise würde ich dann die Komplexität der Geometrie erhöhen und an geeigneten Stellen mit Messungen bestätigen (dies ist in diesem Projekt zum Glück möglich).

Frage Nummer 1: Welches Modul von Ansys nehme ich hierzu am besten?

Schöne Grüße
CoreCatcher

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Was ich noch nicht verstanden habe:
- aus welchem Material besteht das "Bauteil" ?
- aus welchem Material besteht das stromdurchflossene heizende Rohr ?
- aus welchem Material besteht die Isolation zwischen beiden ?
- spielt die Eindringtiefe bei 50 Hz überhaupt eine Rolle oder ist es vielmehr der Stromweg bei komplizierter Geometrie?  Wenn man die Stromverdrängung infolge Induktion nicht berücksichtigen muss, wird die Rechnung wesentlich einfacher.
(Was spricht gegen die Heizung mit einer kommerziellen Heizspirale?)

Es ist auf jeden Fall sinnvoll, mit einer einfachen Geometrie zu beginnen.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Hm, da habe ich mich wahrscheinlich nicht verständlich ausgedrückt, entschuldigung.

Es gibt nur ein Bauteil. Im eigentlichen Versuch den ich durchführen möchte ist dies ein Bauteil, das einem Nickelwerkstoff besteht. Um die genaue Legierung festzulegen benötigige ich u. A. die Informationen über die Maximaltemperatur die ich gerade versuche mir zu erarbeiten. Die wesentlichen elektrischen Parameter (z. B. Leitfähigkeit) unterscheiden sich zwischen den in Frage kommenden Legierungen um ca. 10%.

Das stromdurchflossene Rohr ist nur zum vereinfachten Einstieg der Modellbildung und der Validierung der Simulationsergebnisse mit einer relaen Messung an einem gleichartigem Rohr in der Versuchs Umgebung gedacht.

Entsprechend wird das Rohr mit dem ich beginnen möchte dann später erst durch ein Rohr mit Unstetigkeiten und anschließend durch das oben genannte Bauteil ersetzt.
Daher gibt es auch keine Isolierung zwischen irgendwelchen Teilen. Der ganze Aufbau wird im Experiment dann nach außen hin thermisch isoliert (elektrisch nicht leitend).

Eigentlich spielt sowohl der Stromweg durch die komplizierte Geometrie als auch der Skin Effekt eine Rolle. Es kann durchaus sein, dass der Skinneffekt von sehr untergeordneter Bedeutung sein wird, so, dass ich feststelle, dass man ihn vernachlässigen kann. Aber das weiß ich halt nicht. Ich habe auch mal gelernt, dass die Eindringtiefe "nur" wirklich für einen zylindrischen Körper aussagefähig ist. In anderen und insbesondere unstetigen geometrie könne man sie quantitativ nur zum Vergleich der Verhältnisse zwischen verschiedneen Werkstoffparametern und Frequenzen heranziehen, aber nicht zur absoluten quantitativen Abschätzung an welcher Stelle genau welche Stromdichte vorläge. (Etwas angestaubtes Literaturwissen, ich bin hier auch gerne für Diskussionen offen wenn es andere Ansichten gibt).

Gegen eine komerzielle Heizspirale spricht, dass dies für die eigentlichen interessanten Punkte der Experimentdurchführung deutliche Einschränkungen bedeuten würden (derart, dass das Experiment keinen Erkenntnisgewinn brächte und somit obsolet würde). Daher bin ich gerade damit beschäftigt auszuarbeiten wie die Beheizung für das Experiment realisiert werden kann um möglichst gute Ergebnisse zu bekommen.

Schöne Grüße
CoreCatcher

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Die Eindringtiefe lässt sich ja mal abschätzen, wenn man das myrel und das Kappa der ins Auge gefassten Werkstoffe her nimmt. (Es ist richtig, dass der Wert der Eindringtiefe nur für den Zylinder und den einseitig begrenzten Halbraum gilt.) Trotzdem ist er sehr hilfreich beim Abschätzen für andere Geometrien.
Deshalb sollte vielleicht vorab das Geometriemodell in einer harmonischen Rechnung nur strombeaufschlagt gerechnet werden, um die Ungleichmäßigkeit der Stromdichteverteilung zu erkennen.
Wie warm wird denn das Bauteil? Muss womöglich auch die Änderung der spez. elektrischen Leitfähigkeit durch Temperaturerhöhung berücksichtigt werden?

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Die max. auftretende Temperatur sollte auf allerhöchstens 850°C begrenzt bleiben, nach Möglichkeit deutlich darunter. (hängt auch noch wesentlich von anderen Parametern des Experiments ab)
Das mrel liegt bei ca. 1,01 (bei 20°C) hier liegt mir noch kein wert für höhere Temperaturen vor.
Der spez Widerstand bei max. Temperatur ist 127,5 µOhm*cm daraus ergibt sich eine Leitfähigkeit von 784313,7 S/m
Damit errechnet sich eine Eindringtiefe von 80mm, die Bauteildicke wird an den geometrisch stetigen Bauteilbereichen bei ca. 40mm liegen, in den unstetigen Bereichen von ca 5 - 100 mm. Also insgesamt nicht sehr klein im Vergleich zur Eindringtiefe.
(Über die Abschätzung der Maximaltemperatur hinaus ist für die Auslegung des Experiments auch wichtig, dass ich im Vorfeld das Bauteil so gestalten kann, dass auf der Seite auf der sich die elektrische Stromdichte verringern wird in Normalenrichtung zur Bauteiloberfläche die Wärmestromdichte so verhält wie ich für das Experiment brauche. D.h. ich werde möchte die Simulationsergebnisse auch diesbezüglich für eine Optimierung vor der Versuchsdurchführung nutzen)

Verstehe ich deinen vorletzten Satz (darf ich Du schreiben?) richtig:
Wenn ich eine Harmonischenanalyse mache kann ich die Ungleichmäßigkeit der Stromdichtenverteilung erkennen? Mein Bauteil wird auch in seiner endgültigen geometrischen Form einen Bereich haben der zylinderförmig, und im Vergleich zum Durchmesser auch einigermaßen lang sein wird. Könnte ich als "Übertragungsfunktion" die Ungleichförmigkeit der Stromdichtenverteilung (gewonnen aus der Harmonischenanalyse) auf deren Maximalwert im zylinderförmigen relativ ungestörten Bereich normieren? Anschließend könnte ich von Hand für diesen zylindrischen Bereich die Stromdichteverteilung betragsmäßig berechnen und z. B. die maximal auftretenden Spitzenwerte an den Unstetigkeiten über den normierten Faktor der Übertragungsfunktion zahlenmäßig erfassen? Damit würde ich dann eine neue Stromdichtenverteilung für das gesamte Bauteil generieren und mit diese als Randbedinung (volumetrische Wärmequelle, mit einer Leistung die von der Position abhängt) die thermische Analyse durchführen?

Schöne Grüße
CoreCatcher

[Diese Nachricht wurde von CoreCatcher am 20. Jun. 2013 editiert.]

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Wenn mit so hohen Temperaturänderungen gerechnet werden muss, wird die daraus folgende Widerstandsänderung einen wesentlichen Einfluss haben. Deshalb wird man vermutlich voll gekoppelt rechnen müssen.
Also zuerst in einer harmonischen Rechnung die Verlustleistungdichte ermitteln und mit ihr dann in einer thermischen Rechnung die Temperaturverteilung. Mit den neuen (werkstoffabhängigen) Materialwerten dann wieder in die harmonische Rechnung.
Dann ist zu entscheiden, ob der gesamte Aufheizvorgang oder nur der stationäre Zustand berechnet werden soll.

Ein Kompromiss könnte darin bestehen, zunächst mit Gleichstromspeisung zu rechnen, denn dafür bietet ANSYS gekoppelte Elemente.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Eine Rechnung mit Gleichstromspeisung habe ich schon mit dem "Einstiegs" Rohrmodell die läuft, das war kein größeres Problem. Hier sind auch temperaturabhängige materialparameter hinterlegt.
Betrachtet werden soll vorerst nur der stationäre Zustand.

Auf die Art mit der Harmonischenanalyse werde ichs versuchen, ich melde mich wieder sobald es probleme gibt oder geklappt hat!

Vielen Dank für die informative Diskussion des Themas einstweilen!

Schöne Grüße
CoreCatcher

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