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Simulation Wärmeleitfähigkeit
mit VGSTUDIO MAX
Simulieren Sie die Wärmeleitfähigkeit auf CT-Scans unterschiedlicher Werkstoffe mit dem Modul Transportphänomene-Simulation für VGSTUDIO MAX.
Simulation der Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit misst die Fähigkeit eines Werkstoffs, Wärme zu transportieren.
Das Modul Transportphänomene-Simulation für VGSTUDIO MAX
- simuliert die stationären Temperatur- und Wärmestromfelder in einem Zweikomponentenwerkstoff, wobei jeder Werkstoff eine andere Wärmeleitfähigkeit besitzt – mit der Randbedingung, dass Einlass und Auslass mit den Wärmereservoirs verbunden sind, mit jeweils unterschiedlicher konstanter Temperatur;
- arbeitet direkt auf den Voxeldaten und verwendet die subvoxelgenaue, lokal adaptive Oberflächenbestimmung in VGSTUDIO MAX;
- verfügt über einen „Experimentmodus“ zur Durchführung eines virtuellen Experiments zum Wärmetransport sowie über einen „Tensormodus“ zur Berechnung des Wärmeleitfähigkeitstensors.
Die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit basiert auf den folgenden Differenzialgleichungen für die stationären Temperatur- und Wärmestromfelder in einem Zweikomponentenwerkstoff:
wobei Ω der gesamte Simulationsbereich und Ωₐ der Komponentenbereich a (mit a = 1, 2) ist. Es wird angenommen, dass sich Ω₁ und Ω₂ nicht überlappen und ihre Vereinigungsmenge gleich Ω ist. T ist die Temperatur, φ der Wärmestrom, kₐ die Wärmeleitfähigkeit der Komponente a, Δ der Laplace-Operator und grad der Gradient-Operator.
Experimentmodus
Im Experimentmodus führt die Software ein virtuelles Experiment auf den CT-Daten einer Struktur durch, wobei der Wärmetransport durch die Struktur von einer Einlassebene zur einer parallel dazu verlaufenden Auslassebene simuliert wird. Als Randbedingungen können die Optionen „versiegelt“ oder „eingebettet“ senkrecht zur Einlass- und Auslassebene ausgewählt werden. Als treibende Kraft für den Fluss dient eine Temperaturdifferenz.
Berechnungsergebnisse
Die Ergebnisse werden als Visualisierung der Wärmestromdichte und der relativen Temperatur in 2D und in 3D dargestellt. Die Richtung des Wärmestroms kann über Stromlinien in 2D und 3D visualisiert werden:
- Wärmestromdichte
- relative Temperatur
- Stromlinien des Wärmestroms
Weitere Ergebnisse
Zusätzlich werden folgende Ergebnisse tabellarisch aufgelistet:
- effektive Wärmeleitfähigkeit
- diffusive Tortuosität (geometrisch und algebraisch)
- Formationsfaktor
- Hohlraumanteil
- gesamter Wärmetransport
- Temperaturgradient
Die folgenden Ergebnisse werden als Kurvendiagramme in Fließrichtung dargestellt:
- Wärmestromdichte
- Hohlraumanteil
- gesamter Wärmetransport
Tensormodus
Im Tensormodus berechnet die Software die effektive tensorwertige Wärmeleitfähigkeit. Die Berechnung des Wärmeleitfähigkeitstensors kann auf der gesamten Struktur erfolgen oder – anhand eines Integrationsnetzes – auf der gerasterten Struktur.
Ergebnisse
Die Software stellt die Ergebnisse der Berechnung des Wärmeleitfähigkeitstensors als Visualisierung in 2D und in 3D dar.
- Die Ergebnisse werden als Ellipsoid im Zentrum des simulierten Volumens dargestellt.
- Wenn die Analyse auf einem Integrationsnetz durchgeführt wurde, erfolgt die Darstellung der Ergebnisse als Ellipsoid im Zentrum jeder Zelle.
- Die Hauptachsen des Ellipsoids sind an den Eigenvektoren des Tensors ausgerichtet, während die Länge der Achsen proportional zu den Eigenwerten des Tensors ist.
- Wenn die Analyse auf einem Integrationsnetz durchgeführt wird, können außerdem die mittlere effektive Wärmeleitfähigkeit und der Hohlraumanteil sowie die Eigenwerte des Wärmeleitfähigkeitstensors in 2D und in 3D dargestellt werden.
Zusätzlich zu den Eigenwerten und Eigenvektoren des Tensors werden die Komponenten des effektiven Wärmeleitfähigkeitstensors in Bezug auf das Simulationskoordinatensystem in einer Tabelle aufgelistet.
Vorteile
Benutzerfreundlich
- Keine Simulationserfahrung erforderlich
- Keine Vernetzung erforderlich
Effizient
Nahtlose Arbeitsabläufe in einer einzigen Software – von der Materialsegmentierung bis zur Simulation
Wirklichkeitsgetreu
Alle mikrostrukturellen Einzelheiten werden durch die subvoxelgenaue Oberflächenbestimmung erfasst