Thermische Berekeningen

Oververhitting van componenten, inefficiënte koeling of onverwachte thermische spanningen kunnen leiden tot productfalen, kostbare herontwerpen en vertraagde marktintroductie. Met onze thermische berekeningen krijgt u gedetailleerd inzicht in het thermische gedrag van uw ontwerp — voordat u overgaat tot fysieke prototypes. Met Eindige Elementen Analyse (FEA) en Computational Fluid Dynamics (CFD) voorspellen wij nauwkeurig temperatuurverdelingen, warmtestromen en thermische spanningen, zodat u met vertrouwen technische beslissingen kunt nemen.

Waarom thermische simulatie belangrijk is

Temperatuur beïnvloedt vrijwel elk aspect van de productprestatie. Materialen verzwakken, elektronica derateet, afdichtingen degraderen en toleranties verschuiven — allemaal door warmte. Toch is thermisch gedrag notoir moeilijk in te schatten met alleen handberekeningen, vooral wanneer convectie, straling en geleiding gelijktijdig optreden.

Een thermische simulatie vangt deze complexe interacties op met hoge getrouwheid. Zij onthult hotspots die u niet had verwacht, kwantificeert veiligheidsmarges en laat u ontwerpwijzigingen evalueren in uren in plaats van weken van testen. Of u nu een nieuw product ontwikkelt of veldfalingen analyseert, simulatie levert de antwoorden die u nodig heeft om met vertrouwen verder te gaan.

Thermische analyse met FEA

Eindige Elementen Analyse is de methode bij uitstek wanneer u moet begrijpen hoe warmte geleidt door vaste componenten en assemblages. Wij gebruiken FEA om steady-state en transiënte temperatuurvelden te berekenen, rekening houdend met geleiding tussen onderdelen, convectieve randvoorwaarden op oppervlakken en thermische straling tussen componenten.

FEA-gebaseerde thermische analyse is bijzonder effectief wanneer de convectiecoëfficiënten goed gekarakteriseerd zijn of betrouwbaar kunnen worden ingeschat. Typische toepassingen zijn de beoordeling van thermische spanningen, het voorspellen van thermische uitzetting en vervorming, het evalueren van afkoel- en opwarmcycli, en het identificeren van het risico op thermische schok bij brosse materialen zoals keramiek of glas.

Aangezien de thermische resultaten rechtstreeks in een structureel model worden ingevoerd, kunnen wij ook de spanningen en vervormingen berekenen die voortkomen uit temperatuurgradiënten — een cruciale stap voor componenten die werken bij verhoogde temperaturen of onderhevig zijn aan snelle thermische cycling.

Temperatuurverdeling in een uitlaatspruitstuk berekend met gekoppelde CFD-FEA analyse
Temperatuurverdeling in een uitlaatspruitstuk. De hete uitlaatgastemperaturen werden eerst met CFD berekend en vervolgens naar het FEA-model overgebracht om het temperatuurveld en de resulterende thermische spanningen in het vaste spruitstuk te bepalen.

Thermische analyse met CFD

Wanneer het stromingsveld een significante invloed heeft op de warmteoverdracht — of wanneer de convectiecoëfficiënt onbekend is — is Computational Fluid Dynamics het juiste gereedschap. CFD lost de volledige stromingsvergelijkingen samen met de energievergelijking op, wat betekent dat de convectieve warmteovergangscoëfficiënt niet wordt aangenomen maar vanuit eerste principes wordt berekend.

Dit maakt CFD onmisbaar voor toepassingen zoals elektronicakoeling, waar complexe luchtstromen rond PCB's en koellichamen de componenttemperaturen bepalen. Het is evenzeer belangrijk voor het ontwerp van warmtewisselaars, HVAC-systemen, warmtebeheer onder de motorkap van voertuigen en industriële droogprocessen, waar lokale stromingssnelheden, turbulentie en temperatuurafhankelijke fluïde-eigenschappen allemaal de warmteoverdrachtssnelheid beïnvloeden.

CFD behandelt ook faseveranderingsverschijnselen zoals condensatie, verdamping, smelten en stollen — processen die met FEA of analytische methoden alleen vrijwel onmogelijk te modelleren zijn.

CFD thermische analyse van een elektronicabehuizing met stroomlijnen en componenttemperaturen
CFD thermische analyse van een elektronicabehuizing. De stroomlijnen visualiseren de interne luchtstroom, terwijl de kleurenplot de temperaturen van individuele elektronische componenten toont — waarmee zichtbaar wordt welke onderdelen risico lopen op oververhitting.
Ruimtelijke variatie van de convectieve warmteovergangscoëfficiënt op een koellichaam, berekend met CFD
Convectieve warmteovergangscoëfficiënt op het oppervlak van een koellichaam, berekend met CFD. Rode zones dragen warmte veel effectiever over dan blauwe zones. Deze ruimtelijke variatie kan niet worden vastgelegd met FEA en is essentieel voor het optimaliseren van de vingeometrie en luchtstroomrichting.

Conjugate heat transfer en Fluid-Structure Interaction

Veel thermische problemen in de praktijk omvatten de gelijktijdige interactie van vloeistofstroming, warmteoverdracht en structurele respons. Een hete vloeistof die door een buis stroomt verwarmt de buiswand, die uitzet en thermische spanningen genereert. Een gekoeld turbineblad vervormt onder gecombineerde thermische en mechanische belastingen, waardoor het stromingspad eromheen verandert.

Wij behandelen deze gekoppelde problemen via conjugate heat transfer analyse (gelijktijdig oplossen van de thermische velden in vloeistof en vaste stof) en Fluid-Structure Interaction (FSI), waarbij CFD- en FEA-solvers temperatuur-, druk- en verplaatsingsgegevens uitwisselen. Deze aanpak levert de meest nauwkeurige resultaten voor thermisch belaste constructies die in contact staan met stromende media.

Stroomlijnen gekleurd op temperatuur door een pijpenbundel-warmtewisselaar
Stroomlijnen gekleurd op temperatuur door een pijpenbundel-warmtewisselaar. Zowel de mantelzijde als de buiszijde stroming zijn weergegeven, wat illustreert hoe warmte wordt overgedragen tussen de twee vloeistofstromen via de buiswanden.

Industrieën en toepassingen

Onze thermische berekeningen ondersteunen ingenieurs in uiteenlopende industrieën. Van consumentenelektronica tot zware industrie, wij beschikken over de ervaring en tools om uw thermische uitdagingen aan te pakken:

  • Elektronica & halfgeleiders — warmtebeheer van PCB's, vermogensmodules, LED-verlichting en datacenterkoeling
  • Automotive & transport — koeling onder de motorkap, batterij-warmtebeheer voor EV's, uitlaatsysteemanalyse en remkoeling
  • Energie & hernieuwbare energie — zonnethermische collectoren, warmteterugwinningssystemen, brandstofcellen en energieopwekkingsapparatuur
  • Procesindustrie & chemie — warmtewisselaars, reactoren, droogprocessen en HVAC-ontwerp
  • Industriële apparatuur — thermische schokbeoordeling, ovenontwerp, optimalisatie van koelstrategieën en evaluatie van thermische vermoeiing

Thermische uitdaging? Laten we praten.

Of u nu een koelconcept wilt valideren, een oververhittingsprobleem wilt oplossen of de warmteafvoer in een nieuw ontwerp wilt optimaliseren — ons team van thermische simulatiespecialisten staat klaar om te helpen. Wij werken met Ansys Mechanical, Ansys Fluent, Ansys CFX, Matlab en Python.

Neem contact op voor een vrijblijvend eerste gesprek. Wij bespreken uw toepassing, adviseren de juiste analyse-aanpak en bezorgen u een helder projectvoorstel.

 Neem contact op  of bel ons op +32 478 618 118

Veelgestelde vragen

Veelgestelde vragen over warmteoverdrachtsanalyse en thermische simulatie.

Voor geleidings- en stralingsproblemen opgelost met FEA gebruiken wij Ansys Mechanical. Voor convectie-gedomineerde problemen en conjugate heat transfer gebruiken wij Ansys Fluent en Ansys CFX, die de vloeistofstroming en warmteoverdracht gelijktijdig oplossen. Matlab en Python worden gebruikt voor analytische voorberekeningen, post-processing en automatisering. Zoals altijd hangt de nauwkeurigheid van een thermische simulatie meer af van het correct definiëren van warmtebronnen, randvoorwaarden en materiaaldata dan van de software zelf — en daar is onze ervaring het meest waardevol.

Geleiding is warmteoverdracht door vast materiaal en is altijd aanwezig. Convectie is warmtewisseling tussen een vast oppervlak en een omringend fluïdum (lucht, water, olie) — dit kan worden gemodelleerd met vereenvoudigde filmcoëfficiënten of volledig worden opgelost met CFD. Straling wordt significant bij hogere temperaturen of wanneer oppervlakken warmte uitwisselen over spleten of open ruimte, zoals in ovens, elektronicabehuizingen of buiteninstallaties. De meeste problemen in de praktijk omvatten twee of alle drie mechanismen tegelijkertijd, en onze simulaties houden hiermee rekening.

Een geleidingsmodel met opgelegde convectiecoëfficiënten werkt goed wanneer het stromingspatroon eenvoudig en goed gekarakteriseerd is — bijvoorbeeld geforceerde lucht over een vlak koellichaam met bekende stromingscondities. Wanneer het stromingspad complex is, wanneer natuurlijke convectie de warmteoverdracht aandrijft, wanneer u vloeistoftemperaturen moet begrijpen (niet alleen vaste-stof temperaturen), of wanneer de stromings- en thermische velden sterk gekoppeld zijn, geeft een conjugate heat transfer simulatie met CFD veel betrouwbaardere resultaten.

Ja. Transiënte thermische analyse volgt hoe temperaturen in de tijd evolueren, rekening houdend met de thermische massa (warmtecapaciteit) van de betrokken materialen. Dit is essentieel voor het begrijpen van opwarmtijden, afkoelsnelheden, thermische schokgebeurtenissen, bedrijfscyclusgedrag en de tijd die een systeem nodig heeft om steady state te bereiken. Wij koppelen transiënte thermische resultaten ook aan structurele analyse voor de evaluatie van thermische spanningen en thermo-mechanische vermoeiing.

Vaak wel. Simulatie kan onthullen dat een systeem in sommige zones overgekoeld is en in andere ondergekoeld, of dat een eenvoudigere koeloplossing zou volstaan. Door de thermische paden en knelpunten in uw ontwerp te begrijpen, kunnen wij wijzigingen aanbevelen die veilige bedrijfstemperaturen handhaven terwijl het ventilatorvermogen, koelmiddelstroom, koellichaamformaat of het aantal koelcomponenten wordt verminderd — wat zich rechtstreeks vertaalt in lagere kosten, gewicht en energieverbruik.

Wij hebben nodig: de geometrie (CAD of tekeningen), de warmtebronnen en hun vermogensdissipatie (in watt of als warmtestroom), de thermische materiaaleigenschappen (warmtegeleidingscoëfficiënt, soortelijke warmte, dichtheid), de randvoorwaarden (omgevingstemperatuur, luchtstroomcondities, contact met andere componenten) en uw temperatuurlimieten of ontwerpdoelstellingen. Als exacte materiaalgegevens niet beschikbaar zijn, kunnen wij representatieve waarden uit onze materiaaldatabases gebruiken.

Een geleidingsgebaseerde steady-state analyse kan in enkele dagen tot een week worden afgerond. Conjugate heat transfer simulaties met CFD, transiënte analyses of multifysische projecten met gekoppelde structurele evaluatie duren doorgaans twee tot vijf weken. Wij spreken scope en planning af voordat elk project start.