Temperaturfelder

Mit Hilfe von thermischen Analysen können Temperaturfelder und Wärmeströme rechnerisch ermittelt werden. Hierbei können die folgenden physikalische Übertragungswege berücksichtigt werden:

• Wärmeleitung (Konduktion)
• Wärmeübergang (Konvektion)
• Wärmestrahlung (Radiation)

Aufgabenstellungen zur Berechnungen von Temperaturfeldern und Wärmeübertragung können sowohl mit einer Finiten-Elemente-Analyse (FEM) oder mit einer Strömungsanalyse (CFD) berechnet werden.
Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Methoden ist, dass bei einer Strömungsanalyse neben den Festkörpern auch der Strömungsraum berücksichtigt wird. Dadurch können bei einer Strömungsanalyse der Massentransport und die sich einstellenden Wärmeübergangszahlen (Alpha-Werte) realitätsnah rechnerisch ermittelt werden.

Bei einer Finite-Elemente-Analyse hingegen können ausschließlich Festkörper abgebildet werden. Die Wärmeübergangszahlen müssen vorgegeben werden und daher im Vorfeld entwerder bekannt sein oder analytisch/rechnerisch bestimmt werden. Der Vorteil einer Finite-Elemente-Analyse gegenüber einer Strömungsanalyse sind der geringere Modellierungsaufwand und die reduzierten Rechenzeiten.

Mit Hilfe einer gekoppelten thermisch-mechanischen Analyse können die aus dem Temperaturfeld resultierenden thermo-mechanischen Spannungen rechnerisch bestimmt werden.

Stationäre Temperaturfelder

Bei einer stationären thermischen Analyse ist das Temperaturfeld unabhängig von der Zeit. Dies entspricht z.B. dem stationären Endzustand von Bauteilen nach dem Aufheizen oder Abkühlen, z.B. im Dauerbetrieb.

Transiente Temperaturfelder

Im Gegensatz zu einer stationären Temperaturfeldberechnung berücksichtigt einen transiente Analyse den zeitlichen Verlauf der Temperaturen. Die Veränderung der Temperatur resultiert z.B. durch einen Aufheizvorgang oder durch geänderte Betriebsparameter. Die im Bauteilwerkstoff gespeicherte oder abgegebene Wärme (Wärmekapazität) wird in der Analyse berücksichtigt. Eine transiente Berechnung erfolgt immer dann, wenn es nicht sichergestellt ist, dass der Endzustand die kritischsten Lasten / Spannungen erzeugt.
Nachfolgend kann die aus der Temperaturverteilung resultierende, zeitabhängige mechanische Belastung durch eine gekoppelte thermisch-mechanisch Berechnung (Multiphysics) ermittelt werden.

Elektro-thermische Temperaturfelder

Bei der Simluation von elektrisch-thermisch gekoppelten Systemen wird durch den Stromfluss Wärme erzeugt - entweder direkt über den Ohm'schen Widerstand (Joule Heating) oder über induktives Erwärmen von Bauteilen.
Mit Hilfe von transienten Analysen kann die zeitabhängige Erwärmung der Bauteile simuliert und Aussagen zu den sich einstellenden Temperaturen getroffen werden.

Stromabhängige Temperatur einer Schmelzsicherung