Das Wärmestrahlungsmodell verwendet eine Berechnungsmethode für Ansichtsfaktoren, die eine exakte Energiebilanz bereitstellt, da sie Reziprozität zwischen Festkörpern erzwingt. Temperatur- und Energiebilanzgenauigkeit werden für Geometrien mit stark variierenden Feature-Größen sichergestellt.
Strahlungsinduzierte Wärmeübertragung durch transparente Medien wird unterstützt, ebenso geometrische Symmetrie. Das Wärmestrahlungsmodell berechnet die strahlungsinduzierte Wärmeübertragung auf bewegte Festkörper und Oberflächen und ist die Grundlage für das Solarwärmemodell. Das Wärmestrahlungsmodell überwacht sehr streng die thermische Energiebilanz und protokolliert diese sowie den Betrag der Wärmeübertragung aufgrund von Wärmestrahlung für jedes Teil im Modell. Damit wird eine Reziprozität erzwungen, um sicherzustellen, dass die strahlungsinduzierte Wärmeübertragung zwischen Teilen mit großem Größenunterschied genau berechnet wird.
Wärmestrahlung kann in Verbindung mit allen unterstützten Geometrietypen simuliert werden: zwei- und dreidimensionalen kartesischen und axialsymmetrischen über der x- und y-Achse.
Um Wärmestrahlung zu berücksichtigen, geben Sie für jede Art von Festkörpermaterial im Modell ein Emissionsvermögen an. Wenn keine Festkörper vorhanden sind, geben Sie ein Emissionsvermögen für die umgebenden Wände an, indem Sie ein Emissionsvermögen für das Fluidmaterial festlegen. (Sie müssen ein neues Material erstellen, können hierfür jedoch auf ein Datenbank-Material zurückgreifen.) Da der Algorithmus für die Wärmestrahlungsanalyse keine Einbeziehung des Fluidmediums zulässt, wird das für ein Fluidmaterial festgelegte Emissionsvermögen automatisch auf im Kontakt mit dem Fluid stehenden Wände angewendet.
Beachten Sie, dass der Vorgabewert 1 für das Emissionsvermögen nicht generell empfohlen wird, da er eine perfekt emittierende Oberfläche anzeigt. Dieser Fall ist möglicherweise für die meisten Anwendungen physikalisch nicht realistisch.
Aktivieren Sie im Dialogfeld Start die Optionen Wärmeübertragung und Strahlung.
Wärmestrahlung kann mit oder ohne Strömung simuliert werden.
Ein wichtiger Aspekt ist, dass Fluidteile, die einander berühren, nicht extrusionsvernetzt sein sollten. Der Grund hierfür ist, dass in Fällen, in denen eines oder beide Teile extrudierte Elemente verwenden, die Grenzfläche zwischen den Extrusionsflächen und den Tetraederflächen, auch als nicht konforme Grenzfläche bekannt, vom Wärmestrahlungsmodell nicht unterstützt wird. Das Modell muss über ein passendes Netz für alle Grenzflächen zwischen Fluid und Festkörper verfügen. Diese Richtlinie gilt auch für Grenzflächen zwischen Festkörpern, wenn mindestens einer von ihnen ein transparentes Medium ist.
Wenn eine Baugruppe von einem Luftvolumen umschlossen ist, sollte der Luft unbedingt ein Emissionsvermögen ungleich null zugewiesen werden. (Dieser Wert wird anschließend auf die Wände angewendet.) Bei einem Wert von 0 verhalten sich die benetzten Oberflächen (die keine Festkörper berühren) wie perfekte Spiegel, und es geht keine Energie an die Umgebung verloren, eine eher unrealistische Situation. Wenden Sie eine Temperatur-Randbedingung, welche die echte Umgebungstemperatur darstellt, auf die Außenluft-Oberfläche an, und geben Sie ein realistisches Emissionsvermögen für die Luft an.
Das Wärmestrahlungsmodell berechnet für jedes Teil echte Ansichtsfaktoren. Dies ist genauer als die strömungsbasierte Methode, die in den Wärmestrahlungsmodellen früherer Versionen verwendet wurde. Die Ansichtsfaktoren für die Strahlung zwischen allen Teilen werden in die SOL-Datei geschrieben und sollten sich für jedes Teil zu 1 summieren. Es werden sowohl für undurchsichtige als auch transparente Materialien Tabellen mit Ansichtsfaktoren generiert.
Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für eine Liste von Ansichtsfaktoren eines Bauteils in einer Baugruppe:
| Ansichtsfaktoren zwischen undurchsichtigen Bauteilen |
| Sichtrichtung Teil 1 nach Teil 1, AF = 0 |
| Sichtrichtung Teil 1 nach Teil 2, AF = 0.00870629 |
| Sichtrichtung Teil 1 nach Teil 3, AF = 0.0575024 |
| Sichtrichtung Teil 1 nach Teil 4, AF = 0.021062 |
| Sichtrichtung Teil 1 nach Teil 5, AF = 0.338157 |
| Sichtrichtung Teil 1 nach Teil 6, AF = 0.574572 |
| Teil 1 - Summe aller Ansichtsfaktoren = 1 |
Da dieses Modell eine echte Berechnung von Ansichtsfaktoren verwendet, kann es genauer die strahlungsinduzierte Wärmeübertragung für Modelle berechnen, deren Teile erhebliche Größenunterschiede aufweisen. Die Oberfläche-zu-Oberfläche-Reziprozität wird erzwungen, um eine genauere Energiebilanz zu gewährleisten.
Zur Verbesserung der Leistung der Ansichtsfaktorberechnung werden Elementflächen zu größeren polygonalen Clustern zusammengefasst, um die Anzahl der in die Berechnung eingehenden Ansichtsfaktor-Flächen zu verringern. Das Ergebnis ist eine schnellere Ansichtfaktorbildung, bessere Erzwingung der Reziprozität und schnellere Berechnung der Radiositätsmatrix bei den einzelnen Iterationen.
Das Strahlungsflächen-Clustering wird automatisch ausgeführt, kann jedoch im Flag-Manager durch das Flag ClusterFaces gesteuert werden.
Die Tatsache, dass das Modell Ansichtsfaktoren berechnet, und die Reziprozität zwischen jeder Fläche jedes Teils führen zu einer hohen Präzision und einer guten Energiebilanz für die Wärmestrahlungsberechnungen. Das Modell ist jedoch ressourcenintensiv. Beim ersten Start wird ein Ansichtsfaktor zwischen allen Elementflächen eines jeden Teils mit Sichtlinie berechnet. Darüber hinaus muss die Wärmestrahlungsmatrix erstellt werden, die alle diese Daten nachverfolgt.
Die erforderliche Menge an Arbeitsspeicher nimmt mit dem Quadrat der Anzahl von Oberflächen-Elementflächen zu. Abhängig von der Anzahl der Oberflächen in einer Geometrie kann der zur Berechnung der Ansichtsfaktoren benötigte RAM mehr als 1 Gigabyte betragen. Die erforderliche Zeit zum Berechnen der Ansichtsfaktoren beim Start kann ebenfalls recht erheblich sein. Eine Statusleiste zeigt den relativen Fortschritt dieser Berechnung während des ersten Starts an.
Der verfügbare Standard-Speicherplatz für die Berechnung des Wärmestrahlungs-Ansichtsfaktors beträgt derzeit 4 GB.
Um diesen Wert zu erhöhen, ändern Sie im Flag-Manager den Wert für das Flag rad_matrix_size. Das Argument ist der Betrag des RAM in Megabyte. Beispiel: Um ein RAM-Limit von 10 GB festzulegen, geben Sie einen Wert von 10000 ein.
Das Wärmestrahlungsmodell passt die Genauigkeit der Berechnung in Abhängigkeit vom verfügbaren RAM an. Der Algorithmus überprüft das System, um zu ermitteln, wie viel Arbeitsspeicher verfügbar ist, und passt die optische Sampling-Rate so an, dass die endgültige Radiositätsmatrix in den verfügbaren Arbeitsspeicher passt. Er bestimmt außerdem, ob Arbeitsspeicher oder externer Speicher zur Speicherung von Ansichtsfaktoren, Radiositätsmatrix-Einträgen und sogar zur Speicherung des Typs des eingesetzten Solvers verwendet werden soll. So ist es selbst mit 256 MB Arbeitsspeicher möglich, die Wärmestrahlung zu berechnen. Allerdings braucht es mehr Zeit und die Ergebnisse sind weniger genau, als wenn Sie für die Berechnung einen Computer mit 4 GB Arbeitsspeicher verwenden würden.
Sollte jedoch das Analysemodell einfach nicht mit dem verfügbaren Arbeitsspeicher ausgeführt werden können, wird eine Fehlermeldung des Inhalts ausgegeben, dass das Modell aufgrund fehlender Systemressourcen nicht ausgeführt werden kann.
Glücklicherweise wird diese Berechnung nur zu Beginn der Analyse durchgeführt. Sofern sich das Netz nicht ändert, ist bei nachfolgenden Neustarts der Analyse keine Neuberechnung erforderlich. Da das Wärmestrahlungsmodell eine Methode zur Flächenintegralberechnung verwendet, braucht es zur Erzielung genauer Ergebnisse keine hohe Netzdichte. Achten Sie darauf, die Vernetzungsanforderungen anderer physikalischen Phänomene in einem Modell entsprechend auszugleichen.
Wärmestrahlung wird für bewegte Festkörper unterstützt. Bei Aktivierung der Wärmestrahlungsoption für eine Bewegungsanalyse werden die Ansichtsfaktoren automatisch neu berechnet, sobald das bewegte Teil 2 % des Weges zurückgelegt hat, der durch die maximale Diagonale des Begrenzungsfelds des Bereichs bestimmt ist. Aktivieren Sie dieses Flag in Flag-Manager, um dieses Verhalten zu ändern:
wobei das Argument den Prozentsatz der Diagonalen angibt. Um beispielsweise nach jeweils 5 % der Wegstrecke eine Neuberechnung der Ansichtsfaktoren zu veranlassen, aktivieren Sie dieses Flag:
ViewFactorUpdate 5
Anmerkungen:
Während perfekte Vakuumszustände sehr selten in den meisten industriellen Anwendungen anzutreffen sind, gibt es verschiedene Anwendungen, bei denen die Berechnung der Wärmestrahlung in einer solchen Umgebung nützlich ist. Für die Umgebung muss zwar ein Fluid definiert werden, doch die Option "Strömung" kann (im Dialogfeld "Start") deaktiviert werden, um Konvektionseffekte auszuschließen. Ein allgemeines Verfahren zur Wärmestrahlungsanalyse in einem Quasi-Vakuum sieht wie folgt aus:
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Beispiel für eine Wärmestrahlungsanalyse
Beispiel für das Ändern des Emissionsvermögens