Untersuchungen zur Strahlungsmodellierung in ANSYS
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Projektarbeit aus dem Jahr 2006 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau, Note: 1,3, Technische Universität Ilmenau (Maschinenbau, Maschinenbau und Fahrzeugtechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:Die Kenntnisse über auftretende Wärmeströme und Temperaturverteilungen in Medien und Bauteilen sind für die Ingenieurswissenschaften wichtig. Ein Beispiel ist die Kühlung elektronischer Geräte oder das Design thermischer und fluidischer Systeme. Weiterhin hat die Temperatur einen großen Einfluss auf die entstehenden Spannungen im Material und somit die Leben...
Projektarbeit aus dem Jahr 2006 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau, Note: 1,3, Technische Universität Ilmenau (Maschinenbau, Maschinenbau und Fahrzeugtechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:
Die Kenntnisse über auftretende Wärmeströme und Temperaturverteilungen in Medien und Bauteilen sind für die Ingenieurswissenschaften wichtig. Ein Beispiel ist die Kühlung elektronischer Geräte oder das Design thermischer und fluidischer Systeme. Weiterhin hat die Temperatur einen großen Einfluss auf die entstehenden Spannungen im Material und somit die Lebensdauer der Struktur. Denn jedes Bauteil setzt dem Transport thermischer Energie einen gewissen Widerstand entgegen.
Das FEM-Programm ANSYS stellt vier Methoden zur Strahlungsmodellierung zur Verfügung:
- Link31, ein linienförmiges Element zur Modellierung des Strahlungsaustausches zwischen 2 Punkten, auch mehrere Punktpaare möglich, für einfache Probleme.
- Die Elemente Surf151 und Surf152 für Oberflächeneffekte, zur Modellierung des Strahlungsaustauschs zwischen einer Oberfläche und dem umgebenden Raum (in älteren Programmen entsprechen sie den Elementen Surf19 und Surf22).
- AUX12 - Strahlungsmatrizen, bei denen zwei oder mehr Oberflächen berücksichtigt werden.
- Radiosity - Solver - Methode, für komplizierte 2-D oder 3-D Strahlungsprobleme mit zwei oder mehr Oberflächen.
In dieser Arbeit werden alle Methoden mit ihren wählbaren Parametern untersucht. Die Parameter werden einzeln erläutert und ihre Auswirkungen anhand von Simulationen beschrieben. Im Anschluss werden die Vor- und Nachteile jeder Methode aufgezählt.
Bei der Strahlung, als einer Form der Energieübertragung wird die Energie durch elektromagnetische Wellen transportiert. Dabei stellt die Wärmestrahlung nur ein kleines Band des elektromagnetischen Spektrums dar. Die Wellen wandern mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und als einziger Übertragungsmechanismus ist für die Wärmestrahlung kein Medium erforderlich, so dass ein Wärmetransport auch im Vakuum stattfinden kann. Wärmestrahlung wird von einem Körper nur aufgrund seiner Temperatur abgegeben, bis erreichen des absoluten Nullpunktes. Der Vorgang der Strahlung ist in Abb. 2 zu sehen.
Jeder Körper sendet in Abhängigkeit von seiner Temperatur T elektromagnetische Strahlung aus. Die Wärmeübertragung durch Strahlung geschieht von der Sender - Oberfläche 1 an die Umgebung oder an eine andere Empfänger - Oberfläche 2. Der ausgetauschte Wärmestrom Q durch Wärmestrahlung hängt von physikalischen Eigenschaften des Oberflächenmaterials (Emissionsgrad e), der geometrischen Anordnung der Sender - und der Empfänger - Oberfläche (Formfaktor F), der Größe A der Flächen und der Temperaturdifferenz ab und wird durch folgende Gleichung zusammengefasst.
Die für Gl. (1) nötige Proportionalitätskonstante ist die Stefan-Boltzmann-Konstante s. Durch diese Gleichung wird ersichtlich dass der Wärmestrom der durch die Strahlung abgegeben wird ein nichtlinearer physikalischer Effekt ist.
Zu berücksichtigen ist, dass die Temperaturen der Oberflächen T1, T2 als absolute Temperaturen eingesetzt werden. Die auf einen Empfänger auftreffende Strahlung teilt sich in die drei Anteile Reflexion, Transmission und Absorption auf. Der Emissionsgrad e gibt das Verhältnis der abgegebenen oder aufgenommenen Strahlung Me zur spezifischen Ausstrahlung Me,s die durch einen schwarzen Körper definiert ist, an. Somit wird der physikalische Einfluss der Oberfläche durch den dimensionslosen Wert des Emissionsgrades e1 beschrieben. Der genannte Zusammenhang ist in Gl. (2) dargestellt.
Aus Abb. 2 ist ersichtlich dass die Energie von der Sender - Oberfläche in den darüber befindlichen Halbkreisraum abgestrahlt wird. Da sich Strahlung nur geradlinig ausbreitet, ist eine direkte Sichtverbindung erforderlich um eine Wär...
Die Kenntnisse über auftretende Wärmeströme und Temperaturverteilungen in Medien und Bauteilen sind für die Ingenieurswissenschaften wichtig. Ein Beispiel ist die Kühlung elektronischer Geräte oder das Design thermischer und fluidischer Systeme. Weiterhin hat die Temperatur einen großen Einfluss auf die entstehenden Spannungen im Material und somit die Lebensdauer der Struktur. Denn jedes Bauteil setzt dem Transport thermischer Energie einen gewissen Widerstand entgegen.
Das FEM-Programm ANSYS stellt vier Methoden zur Strahlungsmodellierung zur Verfügung:
- Link31, ein linienförmiges Element zur Modellierung des Strahlungsaustausches zwischen 2 Punkten, auch mehrere Punktpaare möglich, für einfache Probleme.
- Die Elemente Surf151 und Surf152 für Oberflächeneffekte, zur Modellierung des Strahlungsaustauschs zwischen einer Oberfläche und dem umgebenden Raum (in älteren Programmen entsprechen sie den Elementen Surf19 und Surf22).
- AUX12 - Strahlungsmatrizen, bei denen zwei oder mehr Oberflächen berücksichtigt werden.
- Radiosity - Solver - Methode, für komplizierte 2-D oder 3-D Strahlungsprobleme mit zwei oder mehr Oberflächen.
In dieser Arbeit werden alle Methoden mit ihren wählbaren Parametern untersucht. Die Parameter werden einzeln erläutert und ihre Auswirkungen anhand von Simulationen beschrieben. Im Anschluss werden die Vor- und Nachteile jeder Methode aufgezählt.
Bei der Strahlung, als einer Form der Energieübertragung wird die Energie durch elektromagnetische Wellen transportiert. Dabei stellt die Wärmestrahlung nur ein kleines Band des elektromagnetischen Spektrums dar. Die Wellen wandern mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und als einziger Übertragungsmechanismus ist für die Wärmestrahlung kein Medium erforderlich, so dass ein Wärmetransport auch im Vakuum stattfinden kann. Wärmestrahlung wird von einem Körper nur aufgrund seiner Temperatur abgegeben, bis erreichen des absoluten Nullpunktes. Der Vorgang der Strahlung ist in Abb. 2 zu sehen.
Jeder Körper sendet in Abhängigkeit von seiner Temperatur T elektromagnetische Strahlung aus. Die Wärmeübertragung durch Strahlung geschieht von der Sender - Oberfläche 1 an die Umgebung oder an eine andere Empfänger - Oberfläche 2. Der ausgetauschte Wärmestrom Q durch Wärmestrahlung hängt von physikalischen Eigenschaften des Oberflächenmaterials (Emissionsgrad e), der geometrischen Anordnung der Sender - und der Empfänger - Oberfläche (Formfaktor F), der Größe A der Flächen und der Temperaturdifferenz ab und wird durch folgende Gleichung zusammengefasst.
Die für Gl. (1) nötige Proportionalitätskonstante ist die Stefan-Boltzmann-Konstante s. Durch diese Gleichung wird ersichtlich dass der Wärmestrom der durch die Strahlung abgegeben wird ein nichtlinearer physikalischer Effekt ist.
Zu berücksichtigen ist, dass die Temperaturen der Oberflächen T1, T2 als absolute Temperaturen eingesetzt werden. Die auf einen Empfänger auftreffende Strahlung teilt sich in die drei Anteile Reflexion, Transmission und Absorption auf. Der Emissionsgrad e gibt das Verhältnis der abgegebenen oder aufgenommenen Strahlung Me zur spezifischen Ausstrahlung Me,s die durch einen schwarzen Körper definiert ist, an. Somit wird der physikalische Einfluss der Oberfläche durch den dimensionslosen Wert des Emissionsgrades e1 beschrieben. Der genannte Zusammenhang ist in Gl. (2) dargestellt.
Aus Abb. 2 ist ersichtlich dass die Energie von der Sender - Oberfläche in den darüber befindlichen Halbkreisraum abgestrahlt wird. Da sich Strahlung nur geradlinig ausbreitet, ist eine direkte Sichtverbindung erforderlich um eine Wär...
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