Kapitel 9: Zuweisen von Randbedingungen

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Im vorherigen Kapitel wurde die Zuweisung, Erstellung und Verwaltung von Materialien in der Designstudie behandelt. In diesem Kapitel werden die Wechselwirkungen zwischen Design und dessen Umgebung beschrieben. Durch die Zuweisung von Randbedingungen, z. B. Durchfluss, Druck und Temperatur an Öffnungen, wird das Design der realen physikalischen Umgebung ausgesetzt. Außerdem kann mit Randbedingungen die interne Wärmebelastung, z. B. durch Wärmedissipation, definiert werden. Dies ist häufig bei Elektronikkühlung und Wärmemanagement erforderlich.

Randbedingungen definieren die Eingaben für das Simulationsmodell. Beispielsweise definieren die Randbedingungen "Geschwindigkeit" und "Volumenstrom" den Eintritt von Fluid in das Modell, oder den Austritt. Und die Randbedingungen "Wärmeübergangskoeffizient" und "Wärmestrom" definieren den Austausch von Wärmeenergie zwischen dem Modell und dessen Umgebung.

Randbedingungen verbinden das Simulationsmodell mit seiner Umgebung. Ohne sie ist die Simulation nicht definiert und kann in den meisten Fällen nicht fortgesetzt werden. Die meisten Randbedingungen können entweder als stationär oder transient definiert werden. Stationäre Randbedingungen bleiben während der Simulation erhalten. Transiente Randbedingungen variieren im Lauf der Zeit und werden häufig verwendet, um ein Ereignis oder ein zyklisches Phänomen zu simulieren.

Anmerkung: Strömung und Wärme treten an festgelegen Stellen in das Modell ein und aus dem Modell aus. Äußere Flächen, die keine Randbedingungen aufweisen, werden als adiabatische Wände behandelt (keine Strömung und keine Wärmeübertragung).

Verwenden von Randbedingungen

Zuweisen einer Randbedingung

Aktivieren Sie zunächst die Aufgabe Randbedingung, entweder über Konfiguration (Registerkarte) > Konfigurationstasks(Gruppe) (A) oder aus der Designstudienleiste (B):

So arbeiten Sie in der Nähe des Modells

1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf das Modellobjekt (Fläche oder Teil).
2. Klicken Sie im kontextabhängigen Werkzeugkasten auf die Schaltfläche Bearbeiten.
3. Nehmen Sie im Schnellbearbeitungs-Dialogfeld Randbedingungen Einstellungen vor.

Alternativ klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Modellobjekt oder den Zweig in der Designstudienleiste, und klicken Sie auf Bearbeiten....

So arbeiten Sie außerhalb des Modells

1. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf das Modellobjekt (Fläche oder Teil), um es auszuwählen.
2. Klicken Sie auf Bearbeiten in der kontextabhängigen Gruppe Randbedingungen.
3. Nehmen Sie im Schnellbearbeitungs-Dialogfeld Randbedingungen Einstellungen vor.

So weisen Sie die Randbedingung im Schnellbearbeitungs-Dialogfeld zu

1. Legen Sie den Typ der Bedingung fest.
2. Legen Sie die Einheiten fest (sofern zutreffend).
3. Legen Sie die Abweichung im Zeitverlauf fest (stationär oder transient).
4. Weisen Sie bedingungsspezifische Einstellungen zu, z. B. Normale oder Komponente bei der Auswahl von Geschwindigkeit bzw. Statisch oder Überdruck bei der Auswahl von Druck. Ändern Sie die Strömungsrichtung für Geschwindigkeit, Volumenstrom oder Massenstrom.
5. Geben Sie den Wert an.
6. Klicken Sie auf Anwenden.

Definieren und anschließendes Anwenden einer Randbedingung

Ein alternativer Arbeitsablauf ist, die Randbedingung zu erstellen, bevor sie auf das Modell angewendet wird:

1. Klicken Sie in der kontextabhängigen Gruppe Randbedingungen auf Bearbeiten. Alternativ klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Zweig Randbedingungen auf der Designstudienleiste, und klicken Sie auf Neue Randbedingung....
2. Definieren Sie die Randbedingung im Schnellbearbeitungs-Dialogfeld Randbedingungen, und klicken Sie auf Anwenden.
3. Ziehen Sie die nicht zugewiesene Einstellung aus der Designstudienleiste auf das Modellobjekt:

Anmerkung: Um eine Einstellung zuzuweisen, die derzeit einem anderen Objekt zugewiesen ist, ziehen Sie sie aus der Designstudienleiste auf das betreffende Modellobjekt.

Entfernen einer Randbedingung

So entfernen Sie eine Randbedingung aus einem bestimmten Objekt (mehrere Möglichkeiten):

• Klicken Sie mit der linken Maustaste auf ein Objekt, und klicken Sie auf das Symbol Entfernen aus dem kontextabhängigen Werkzeugkasten. (Hierdurch werden die Bedingungen in der Reihenfolge entfernt, in der sie definiert wurden.)
• Erweitern Sie in der Designstudienleiste den Zweig Randbedingung, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf eine angegebene Bedingung, und klicken Sie auf Entfernen.
• Wählen Sie das Objekt aus, und klicken Sie auf Bearbeiten in der kontextabhängigen Gruppe Randbedingungen. Stellen Sie im Dialogfeld für die Schnellbearbeitung den Typ entsprechend der zu löschenden Bedingung ein, und klicken Sie auf Entfernen.

So entfernen Sie eine einzelne Randbedingung aus mehreren Objekten

1. Erweitern Sie den Zweig Randbedingungen in der Designstudienleiste.
2. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Bedingung, die Sie entfernen möchten.
3. Klicken Sie auf Entfernen.

So löschen Sie alle Randbedingungen:

1. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Randbedingungen in der Designstudienleiste.
2. Klicken Sie auf Alle entfernen.

Strömungsrandbedingungen

Strömungsrandbedingungen beantworten diese Fragen:

• Ist eine Strömung vorhanden?
• Wodurch wird die Strömung angetrieben bzw. verursacht?
• Wo tritt sie in das Modell ein und wo tritt sie aus?
• Wie stark ist die Strömung?

Eine Strömung kann durch Folgendes definiert bzw. verursacht werden:

• angegebenen Durchfluss
• Geschwindigkeit
• Druck
• internen Lüfter oder interne Pumpe
• Auftrieb durch natürliche Konvektion

Strömungsrandbedingungen werden auf äußere Flächen angewendet und umfassen in der Regel:

Einlass	Auslass
Durchfluss	P statisch = 0
P statisch = 0	Durchfluss
P statisch > 0	P statisch = 0
Externer Lüfter (drücken)	P statisch = 0
P statisch = 0	Externer Lüfter (ziehen)
P statisch = 0 (interner Lüfter)	P statisch = 0

Die am häufigsten verwendeten Strömungsrandbedingungen...

Geschwindigkeit	Geschwindigkeit wird in der Regel als eine Einlass-Randbedingung verwendet. Legen Sie als Richtung senkrecht zur ausgewählten Fläche fest, oder wählen Sie kartesische Koordinaten. Wenn als Richtung aus dem Modell heraus definiert wurde, kann auf einen Auslass eine Geschwindigkeit angewendet werden. Um ein voll entwickeltes Flussprofil zu einer Geschwindigkeitsbedingung zu entwickeln, aktivieren Sie Voll entwickelt.
Volumenstrom	Auf planare Einlässe (evt. auf Auslässe) anwenden. Dies ist sinnvoll, wenn die Dichte konstant ist. Um ein voll entwickeltes Flussprofil zu einem Volumenstrom zu entwickeln, aktivieren Sie Voll entwickelt.
Massendurchfluss	Wird in der Regel auf Einlässe (nur planar) angewendet. Wenn als Strömungsrichtung aus dem Modell heraus definiert wurde, kann ein Massendurchfluss auf einen Auslass angewendet werden.
Druck	Die Druck-Randbedingung wird in der Regel auf Auslässe angewendet. Die empfohlene Randbedingung für den Auslass ist ein statischer Überdruck mit einem Wert von 0. Für Auslässe müssen keine weiteren Randbedingungen definiert werden. Wenn der Druckabfall durch eine Komponente bekannt ist, geben Sie den Druckabfall am Einlass (als einen statischen Überdruck) an, und geben Sie den Wert 0 für den statischen Überdruck am Auslass an.
Gleiten/Symmetrie	Die Gleitbedingung bewirkt, dass das Fluid entlang einer Wand fließt anstatt an der Wand zu stoppen, was normalerweise an einer Wand passiert. Das Fluid kann jedoch nicht durch die Wand fließen. Gleitwände sind sinnvoll für die Definition von Symmetrieebenen. Die Symmetriefläche muss nicht senkrecht zu einer Koordinatenachse verlaufen.

Es sind weitere Strömungsrandbedingungen in Autodesk® CFD verfügbar. Die oben angegebenen Bedingungen sind die am häufigsten verwendeten. Klicken Sie hier, um Beschreibungen aller Strömungsrandbedingungen in Autodesk® CFD anzuzeigen...

Wärmeübertragungs-Randbedingungen

Eine Wärmeentwicklung kann von einer bekannten Temperatur, einer Wärmelast (wie z. B. einem elektronischen Bauteil), Strahlung oder einem elektrischen Widerstand ausgehen. Durch Wärmerandbedingungen werden diese Fragen beantwortet:

• Findet eine Wärmeentwicklung im Design statt?
• Wo?
• Wie hoch ist der Wert?
• Wo wird die Wärme aus dem Design abgeführt?
• Wie hoch ist die Referenzumgebungstemperatur?

Anmerkung: Eine Temperatur muss im Modell für Autodesk® CFD angegeben sein, um die Wärmeübertragung zu lösen. Dies kann eine Temperatur oder eine Wärmeübergangskoeffizient-Randbedingung sein.

Die am häufigsten verwendeten Wärmeübertragungs-Randbedingungen...

Temperatur	Für alle Einlässe muss eine Temperatur-Randbedingung definiert werden, wenn eine Wärmeübertragungsanalyse ausgeführt wird. Bei den meisten Wärmeübertragungsanalysen ist eine statische Temperaturbedingung empfohlen. Verwenden Sie für kompressible Wärmeübertragungsanalysen eine Gesamttemperatur als Einlasstemperatur.
Gesamtwärmestrom	Gesamtwärmestrom ist eine Flächenbedingung, die die angewendete Fläche direkt der Wärme aussetzt. Wenden Sie die Gesamtwärmestrom-Bedingung direkt an. (Eine Teilung durch den Flächenbereich ist nicht vorzunehmen.) Dies ist sehr praktisch, da der Wert dann nicht neu berechnet werden braucht, wenn die Größe der angewendeten Fläche geändert wird. Der Gesamtwärmestrom darf nur auf äußere Wandflächen eine Fluids angewendet werden.
Wärmeübergangskoeffizient	Dieser Koeffizient wird auch als Konvektionsbedingung bezeichnet und häufig zur Simulation eines Kühlungseffekts verwendet. Weisen Sie Wärmeübergangskoeffizienten externe Flächen zu, um eine Umgebung zu simulieren, die die Komponente umgibt. Die Randbedingung darf ebenfalls nur auf externe Flächen angewendet werden.
Wärmestrahlung:	Die Wärmestrahlungs-Randbedingung simuliert die Übertragung von Wärme durch Strahlung aus einer Quelle außerhalb des Modells zu den ausgewählten Flächen. Sie kann als Strahlungs-Wärmeübergangskoeffizient betrachtet werden, da eine Fläche einer Wärmelast ausgesetzt wird, wobei eine Quellentemperatur und eine Flächenbedingung verwendet werden.
Gesamtwärmeerzeugung	Diese Randbedingung stellt eine Wärmelast für Volumen dar, die nicht auf das Teilevolumen bezogen ist. Diese Bedingung wird für die meisten Wärmeübertragungs-Anwendungen empfohlen, da der Wert dann nicht angepasst werden braucht, wenn sich das Teilevolumen ändert.

Es sind weitere Wärmeübertragungsrandbedingungen in Autodesk® CFD verfügbar. Die oben angegebenen Bedingungen sind die am häufigsten verwendeten. Klicken Sie hier, um Beschreibungen aller Wärmeübertragungsrandbedingungen in Autodesk® CFD anzuzeigen...

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