Natürliche Konvektion ist das Ergebnis auftriebsbedingter Strömung, die durch Dichtegradienten aufgrund von Temperaturschwankungen verursacht wird. Typische Anwendungsbereiche für natürliche Konvektion: elektronische Systeme, die entweder belüftet oder vollständig abgedichtet sind. Diese Geräte haben im Allgemeinen keine Lüfter oder Gebläse. Stattdessen werden sie durch auftriebsbedingte Strömung gekühlt, die Wärme aus erwärmten Komponenten konvektiert und über die äußere Hülle leitet.
Natürliche Konvektion in einem abgedichteten Gerät wird als interne Konvektion bezeichnet. Natürliche Konvektion um ein Gerät in einem großen Gehäuse oder in einer offenen Umgebung wird als externe Konvektion bezeichnet. Die Analysetechniken für diese beiden physischen Situationen sind etwas anders. Sie werden in den entsprechenden Themen weiter unten erläutert.
Strömungen mit natürlicher und freier Konvektion sind größtenteils durch Auftriebskräfte bedingt. Die Auftriebskräfte werden durch Dichtegradienten erzeugt, bei denen vor allem die Temperaturen variieren. Druckgradienten sind in diesen Strömungen relativ klein. Strömungen mit natürlicher Konvektion können laminar oder turbulent sein.
Grundlegende Lösungsstrategien
Es ist sehr wichtig, dass im Modell eine Temperatur angegeben wird (zusätzlich zu den bekannten Wärmelasten). Dies kann eine angewendete Temperatur-Randbedingung oder aber auch eine Referenztemperatur für einen Wärmeübergangskoeffizienten oder eine Wärmestrahlung-Randbedingung sein. Ohne eine angegebene Temperatur an einer beliebigen Stelle im Modell wird die Temperaturlösung nicht konvergieren.
Beim Definieren des Netzes für auftriebsbedingte Analysen werden mehr Elemente im Inneren der Domäne (von den Festkörperbegrenzungen weg) erforderlich als für eine druckerzeugte Strömung. Der Grund dafür ist, dass die exakte Darstellung der kleinen Dichtegradienten wichtig für die korrekte Berechnung der Auftriebskräfte ist.
Verwenden Sie Netzverfeinerungsbereiche, um das Netz rund um kritische Bereiche einzustellen. Dies ist eine einfache Möglichkeit, die Dichte des Netzes im Strömungsbereich zu vergröbern.
Es ist immer ratsam sicherzustellen, dass auf allen Objekten mit Randbedingungen für Wärmeerzeugung ein Mittelpunkt-Knoten vorhanden ist. Dies ist besonders wichtig für dünne Objekte, wie Kühlkörperrippen und Chips.
Einige grundlegende Richtlinien für die Konfiguration einer Analyse bei natürlicher Konvektion:
Beachten Sie, dass die Strömung und die Wärmeübertragung aktiviert werden sollten, da die physikalischen Eigenschaften für Strömung und Thermik gekoppelt sind. Die physikalischen Eigenschaften werden als gekoppelt betrachtet, wenn die Strömungslösung von der thermischen Lösung abhängt. Dies betrifft die natürliche Konvektion, da die Dichte je nach Temperatur variiert. Bei Temperaturänderungen ändert sich auch die Dichte des Fluids, wovon die Strömungslösung beeinflusst wird.
Für Analysen der natürlichen Konvektion müssen Eigenschaftswerte (durch Auswahl von Variabel) aus dem Dialogfeld "Umgebung" variieren dürfen.
Vorgabemäßig werden Eigenschaftswerte zum ursprünglichen Fluid (Luft) basierend auf der niedrigsten angegebenen Temperatur-Randbedingung in der Analyse berechnet. Dies ist das erwünschte Verhalten für die Simulation der Kühlung einer Komponente durch natürliche Konvektion.
In Situationen, in denen die Komponente durch natürliche Konvektion erwärmt wird, ist es besser, die Eigenschaften des Fluids (Luft) basierend auf der Umgebungstemperatur zu initialisieren. Dazu aktivieren Sie das folgende Flag im Flag-Manager:
Es ist ein größerer Temperaturgradient erforderlich, um eine auftriebsbedingte Bewegung in Flüssigkeiten zu verursachen. Daher können Lösungszeiten reduziert werden, indem vor dem Ausführen der Strömungs- und thermischen Analyse zuerst ein Temperaturgradient durch das Fluid induziert wird. Führen Sie dies mit 10 rein thermischen Iterationen aus (ohne Strömung). Wenn ein thermischer Gradient erreicht ist, sollten Strömungs- und thermische Analyse gleichzeitig ausgeführt werden.
Wenn eine externe Analyse mit natürlicher Konvektion ausgeführt wird, steigen die Temperaturen anfangs häufig sehr hoch (da sich die Luft noch sehr langsam bewegt) und sinken bei Entwicklung des Strömungsfelds dann wieder. Analysen mit natürlicher Konvektion erfordern in der Regel mehr Iterationen als interne Strömungsprobleme, um eine stationäre Lösung zu erreichen. Die Anzahl der erforderlichen Iterationen und damit die gesamte Lösungszeit ist bei einer natürlichen Konvektion größer als bei einer druckerzeugten Strömungsanalyse. Die Lösungsprogression wird dadurch verlangsamt, dass die Auftriebskräfte im Allgemeinen erheblich größer sind als die Druckkräfte.
Eine Konvergenz mit flachen Linien wird bei Analysen mit natürlicher Konvektion nicht immer erreicht werden, da diese Analysen transienter Natur sind. Chaotische Störungen im System verhindern manchmal eine optimale numerische Konvergenz, aber die Zahlen sollten innerhalb eines Änderungsbereichs von 5 % der entsprechenden Parameter (Geschwindigkeit, Druck, Temperatur) über die letzten 20 % der Analyseiterationen liegen.
Im folgenden sind einige Techniken für den Fall beschrieben, dass sich die Lösung verlangsamt oder divergiert:
Überprüfen Sie die SOL-Datei in Ihrem Analyseverzeichnis, um das Problem zu identifizieren.
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