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Wärmemanagement

Was man mit numerischer Strömungssimulation erreicht

| Autor / Redakteur: Tsutomu Yamamoto, Yoshiaki Enami und Kimihisa Kaneko * / Matthias Back

Numerische Strömungssimulation: Temperaturverteilung in einer Brennstoffzelle
Numerische Strömungssimulation: Temperaturverteilung in einer Brennstoffzelle (Bild: Fuji Electrics)

Ingenieure von Fuji Electric erläutern in diesem Artikel, wie sie Methoden zur Strömungssimulation mit STAR-CCM+ anwenden, um elektrische, thermische und Strukturparameter zu optimieren.

In diesem Artikel erläutern Tsutomu Yamamoto, Yoshiaki Enami und Kimihisa Kaneko, Simulationsfachleute bei Fuji Electric, wie sie Methoden zur Strömungssimulation mit STAR-CCM+ anwenden. Die Ingenieure der Abteilung Thermal System Technology im Application Technology Research Center von Fuji Electric nutzen CAE-Software bei der Leistungsprüfung und Produktentwicklung. Die Abteilung arbeitet an neuen Techniken für die Struktursimulation, die thermische Strömungssimulation sowie die elektromagnetische Feldsimulation, während sie gleichzeitig mit den Abteilungen für Produktentwicklung und Konstruktion zusammenarbeitet.

Die optimierten Produkte werden in Kraftwerken, Umspannwerken, als Leistungselektronik-Komponenten, in der Halbleiterindustrie und Automation eingesetzt. Die Gruppe erhält Berechnungsanfragen aus allen Bereichen des Unternehmens. Dabei geht es nicht nur um einfache Simulationen, sondern auch um die Optimierung bei der Produktentwicklung, beispielsweise durch welche Struktur aktuelle Probleme gelöst oder wie Leistungsfähigkeit und Ausfallsicherheit verbessert werden können.

Die Ingenieure des Advanced Technology Laboratory sind für CAE verantwortlich, wobei Struktursimulationen und thermische Strömungssimulationen zur Bewertung von Produktleistung und -zuverlässigkeit die wichtigsten Aufgabengebiete sind. Getestet werden gekoppelte Simulationen für Analysen in Bereichen, in denen dies früher nicht möglich war. Ein neues und besonders gefragtes Thema ist die Wechselwirkung zwischen Lichtbogen und Stromunterbrechung durch die Kopplung von Struktursimulation, thermischer Strömungssimulation sowie elektromagnetischer Feldsimulation.

CFD – unersetzliches Werkzeug bei der Produktentwicklung

Besonders die Implementierung von Prototypentests bei Komponenten für Kraftwerke und Transformatorenstationen ist schwierig. Detaillierte Messungen sind zunächst kompliziert und ohne CFD (computational fluid dynamics, numerische Strömungssimulation) wäre die Entwicklung neuer Produkte schwierig. Auch sind im Bereich Leistungselektronik sehr kurze Entwicklungsperioden erforderlich.

Die Produktentwicklung wird durch eine Kombination von Prototypenevaluierung und Verifizierung durch Analyse durchgeführt, aber detaillierte Messungen und Evaluation können erst erfolgen, wenn die Gehäusekonstruktion ein bestimmtes Stadium erreicht hat, speziell bei der Kühlung. Eine optimierte Entwicklungszeit kann erzielt werden, wenn man die Analyse im Voraus durchführt und die Vorschläge für das Strukturdesign eingrenzt.

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Aufgrund der großen Anzahl von Produkten ist es nicht einfach, die Evaluierungs- und Untersuchungsmethoden zu standardisieren oder eine Routine festzulegen. Wenn die Produktstruktur zu einem bestimmten Grad festgelegt wurde oder wenn die Evaluierung für eine Fallstudie durchgeführt wird, kann man diese Methoden durch den Einsatz einer Makroprogrammierung automatisieren, um so die Arbeitseffizienz zu steigern.

Die Produkte, für die eine Analyse angefragt wird, sind meist keine Serienprodukte sondern maßgeschneidert. Aus diesem Grund muss man mit der Erstellung der Modellgeometrie beginnen.

Hier ist der Vernetzer in STAR-CCM+ ein sehr leistungsstarkes Werkzeug, denn nachdem das 3-D-CAD-Modell implementiert ist, kann er eine Reihe von Prozessschritten in einem sehr kurzen Zeitrahmen abarbeiten. Somit kann man sehr schnell von der Erstellung der Vernetzung zur Evaluierung der Leistung übergehen.

Die Berechnung des Stroms in der Lichtbogenanalyse wird mit dem elektrodynamischen Potenziallöser in STAR-CCM+ mit doppelter Genauigkeit durchgeführt. Soweit wir wissen, wird zurzeit an einem Finite-Elemente-Löser gearbeitet. Wir erwarten, dass damit das Problem gelöst wird, dass man momentan noch nicht in der Lage ist, in Teilen, in denen sich die Plasmaleitfähigkeit abrupt ändert, die Stromkontinuität aufrechtzuerhalten.

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