Thermische berekeningen

Thermische analyse is een belangrijk aspect geworden in veel hedendaagse ontwerpen. De meeste stromingen, materialen, componenten en structuren hebben temperatuurafhankelijke karakteristieken die een impact hebben op de sterkte, performantie en temperatuurniveau. Instrumenten als de Eindige Elementen Methode (FEA) en Computational Fluid Dynamics (CFD) kunnen belangrijke informatie opleveren, die met handberekeningen, metingen of fysische testen niet kunnen bekomen worden.

Analyse van warmteoverdracht

Thermische simulaties worden gebruikt bij onderzoek & ontwikkeling, kwaliteitscontrole en storingsanalyse, maar ook voor regulier ontwerp. Onderdelen die warmte genereren of onderhevig zijn aan externe warmtebelastingen, zoals batterijen in elektrische voertuigen, elektronische componenten op een printplaat of zonneboilers, hebben baat bij gedegen onderzoek naar de efficiëntie van de warmteafvoer en het niveau van de ontwikkelde temperaturen.

Thermische analyse omvat verder ook het analyseren van stromingen en warmteoverdracht in fluïda en ook onderling tussen fluïda en vaste stoffen. Dergelijke analyses worden vaak toegepast voor het evalueren van chemische en farmaceutische processen en voor het ontwikkelen van innovatieve herbruikbare-energieprojecten.

Twee instrumenten die daarvoor kunnen gebruikt worden, zijn de Eindige Elementen Methode (FEM of FEA) en Computational Fluid Dynamics (CFD).

Warmteanalyse met FEA

Met de Eindige Elementen Methode kan de warmteoverdracht tussen vaste stoffen worden geanalyseerd. Warmteoverdrachtmechanismen zoals convectie en thermische straling worden met deze benadering expliciet gedefinieerd, m.a.w. ze worden niet berekend door de software, maar door de gebruiker als een input parameter ingegeven.

Warmteanalyse met FEA wordt voornamelijk gebruikt wanneer convectie minder belangrijk is of wanneer de waarde van de overdrachtscoëfficiënt nauwkeurig genoeg gekend is.

Thermische analyse met de Eindige Elementen Methode laat ook toe om structurele spanningen en vervormingen ten gevolge van uitzetting door temperatuurgradiënten te berekenen.

Thermische analyse met CFD

Een warmteanalyse met Computational Fluid Dynamics laat toe om de warmteoverdracht in een fluïdum of in mengsels van verschillende fluïda te berekenen, alsook convectie tussen het fluïdum en vaste stoffen.

Convectie tussen een fluïdum en een of meerdere vaste onderdelen wordt berekend door de software en kan de onzekerheid rond de variatie van de warmteoverdrachtscoëfficiënt verhelpen door een nauwkeurige analyse van de stroming, via het berekenen van de lokale stromingssnelheden rond het lichaam en door rekening te houden met effecten als turbulentie en temperatuurafhankelijke eigenschappen van het fluïdum.

Weergave warmteoverdrachtscoëfficiënt van een warmtegeleider, berekend met CFD
Weergave van de warmteoverdrachtscoëfficiënt h, berekend met CFD. De warmteoverdrachtscoëfficiënt is duidelijk niet homogeen langs het oppervlak van de warmtegeleider.
De rode zones hebben een hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt dan de blauwe en zijn dus efficiënter in het afvoeren van warmte. Dit detailniveau is niet te benaderen met FEA.

Fluid-Structure Interaction (FSI)

Wanneer CFD gebruikt wordt voor de analyse van een thermisch probleem, is het niet mogelijk om de vervormingen en structurele spanningen in vaste onderdelen te berekenen ten gevolge van temperatuurveranderingen. Elke CFD-analyse kan echter gekoppeld worden aan een FEA-analyse, zodat resultaten uit de CFD-oplossing kunnen uitgewisseld worden met deze van de FEM-analyse – en omgekeerd. Op deze manier is het mogelijk de warmteoverdrachtcoëfficiënt nauwkeurig te berekenen met Computational Fluid Dynamics en vervormingen en spanningen te berekenen met de Eindige Elementen Methode. Deze benadering wordt Fluid-Stucture Interaction of FSI genoemd.

Temperatuur doorheen een plaat- en buizenwarmtewisselaar
Het temperatuurverloop in een plaat- en buizenwarmtewisselaar. De temperaturen van de koude en warme stroming en deze van de warmtewisselaar zelf werden berekend met CFD. Vervormingen en spanningen in de warmtewisselaar ten gevolge van de temperatuurgradiënten werden berekend met FEA.

Het team experten van Quadco Engineering staat klaar om u te adviseren

De specialisten van Quadco Engineering hebben uitgebreide ervaring met het uitvoeren van warmteanalyses met FEA en CFD. Wilt u weten hoe wij u kunnen helpen met het oplossen van uw thermische problemen, neem dan vandaag nog contact met ons op via contact voor een offerte of een vrijblijvende afspraak.