Joule-Erwärmung ist die Erzeugung von Wärme, indem elektrischer Strom durch ein Metall geleitet wird. Diese Funktion ist auch als Widerstandserwärmung bekannt und simuliert die Erwärmung durch elektrischen Widerstand. Beispiele hierfür sind Heizelemente für Kochfelder und Raumheizgeräte. Die primären Eingaben sind Stromstärke, Spannung und Materialwiderstand.
Konfigurieren der Joule-Erwärmung
Zwei Randbedingungen stehen zum Definieren einer Joule-Erwärmung zur Verfügung: Stromstärke und Spannung. Die typische Methode zum Definieren der Lasten ist das Zuweisen von Stromstärke zu einem Ende des Festkörpers oder des Flächenteils, durch den die Elektrizität geht, und eine Spannung von 0 zum anderen Ende:
Alternativ können Sie eine Potentialdifferenz (Spannungsdifferenz) auf dem Gerät anwenden, indem Sie die Spannung ungleich null an einem Ende und einen Nullwert für die Spannung am anderen angeben. In diesem Fall wird die Stromrandbedinung nicht berücksichtigt.
Die Materialeigenschaft Widerstand ist das Produkt des Widerstands und des Querschnittsbereichs, geteilt durch die Länge des Bauteils. Ein Wert für den spezifischen Widerstand ist bei allen Festkörpern erforderlich, die durch den Joule-Effekt erwärmt werden.
Widerstand
- r = Spezifischer Widerstand (Ohm x Längeneinheit)
- R = Widerstand (Ohm)
- L = Länge der Komponente
- A = Querschnittsfläche
Ein Wert ungleich null für den Widerstand sollte immer für Festkörper und Flächenteile, in denen Joule-Erwärmung auftritt, festgelegt werden.
Berücksichtigen der Temperaturänderung
Um die Temperaturänderung aufgrund der Joule-Erwärmung zu berücksichtigen, berechnen sie manuell den Temperaturunterschied auf Basis des bekannten Widerstands, der angewendeten Stromstärke und der Bemaßungen des Objekts:
- Beginnen Sie mit der Berechnung des Widerstands R des Objekts anhand der Länge L, des Bereichs A und des spezifischen Widerstands r:
- Verwenden Sie dann die Spannung V und den Widerstand, um die Stromstärke I zu berechnen.
V = I x R
- Berechnen Sie die Verlustleistung P:
- Der Temperaturunterschied wird dann aus der Leistung, Länge, Fläche und Wärmeleitfähigkeit K berechnet:
Es empfiehlt sich, die Temperaturänderung manuell zu berechnen, um sicherzustellen, dass die angegebenen Werte physisch und geeignet sind.
Isolationsmaterialien
Um isolierende (nicht leitende) Materialien in einer Simulation der Joule-Erwärmung zu simulieren, wenden Sie einen Wert für den Widerstand an, der 1000 Mal größer als der angegebene Widerstand im Modell ist. Vorgabemäßig wird ein Material als Isolator berücksichtigt und ist thermisch nicht vom elektrischen Strom betroffen.
Um einen Widerstand zu simulieren, der größer ist als der vorgegebene Grenzwert, aktivieren Sie dieses Flag und geben den gewünschten Wert ein. Joule-Erwärmung wird in Festkörpern mit Widerstand-Werten berechnet, die diesen Wert nicht überschreiten.
max_electrical_resistance_ratio X
Das Argument X ist der Grenzwert des Widerstands, ab dem ein Teil als isolierend bezeichnet wird. Beispiel: Zum Berechnen der Auswirkungen durch Joule-Erwärmung in einem Material, dessen Widerstand 10000 Mal größer ist als der kleinste angegebene Widerstand im Modell, aktivieren Sie dieses Flag, und weisen Sie den Wert 10000 zu.
Wie bei jeder Wärmeübertragungsanalyse muss eine Temperatur im Modell angegeben werden (entweder als eine Temperaturrandbedingung oder als Umgebungstemperatur für eine Wärmeübergangskoeffizient-Randbedingung).
Wichtige Punkte bei der Konfiguration
Vernetzen Sie Festkörperobjekte, die der Joule-Erwärmung unterliegen, mit mindestens zwei Layern von Elementen im Querschnittsbereich. Dies ist die minimale Netzdichte, die erforderlich ist, um Temperaturgradienten in einem Festkörper zu lösen.
Wenn Sie Randbedingungen für die Stromstärke und Spannung anwenden, legen Sie die Materialeigenschaft "Widerstand" fest, und aktivieren Sie die Option "Wärmeübertragung" im Dialogfeld "Start". Simulation CFD berechnet die Joule-Erwärmung automatisch. Es gibt keine separaten Schaltflächen zum Aktivieren der Joule-Erwärmung.
Simulieren von Joule-Erwärmung in einem Fluid
Die Joule-Erwärmung in Autodesk Simulation CFD dient in erster Linie der Simulation von elektrischer Widerstandserwärmung in Festkörpern. Es gibt jedoch einige Situationen, in denen ein Fluid als Strompfad dient und der Joule-Erwärmung unterliegt. So simulieren Sie die Auswirkungen der Erwärmung, wenn Strom durch ein Fluid geht:
- Berechnen Sie die elektrische Leistung, die durch das Fluid geht, mit der folgenden Gleichung:
- Weisen Sie die resultierende Leistung als Randbedingung für eine volumetrische Gesamtwärmeerzeugung des Fluids zu.
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