Za reševanje termičnih problemov prenosa toplote vam SOLIDWORKS® ponuja 2 orodji: SOLIDWORKS Simulation, ki je orodje za FEA analize in uporablja metodo končnih elementov FEM (ang. Finite Element Method) in SOLIDWORKS Flow Simulation, ki je orodje za CFD analize in uporablja metodo končnih volumnov FVM (ang. Finite Volume Method). Tako FEA kot CFD lahko izvajata simulacije za vse vrste prenosa toplote in sicer prevod, prestop ter sevanje, le da slednji konvekcijo že upošteva v sami formulaciji metode, po kateri računa kompleksne in zmogljive termične analize, medtem ko je FEA odlično zasnovana za analizo termičnih napetosti. V tem blogu si lahko preberete katero orodje je najboljša izbira za vaš problem.
Termične probleme lahko obvladujete z obema metodama, tako s končnimi elementi v Simulation, kot tudi s končnimi volumni v Flow Simulation. Oba programa bosta podala rezultate o prevodu toplote glede na lastnosti materialov in simulacije, le da Flow Simulation omogoča tudi preračun prenosa toplote preko konvekcije in sevanja, za kar zahteva Simulation ročno dodajanje termičnih lastnosti in simulacije. Rezultati bodo primerljivi v obeh primerih za enostavne in časovno nespremenljive probleme, odstopanja in razlike med programoma pa se predvsem pojavijo pri bolj kompleksnih in časovno spremenljivih termičnih pojavih.
V pomoč pri izbiri programskega orodja si lahko zastavite naslednja vprašanja:
- Ali iščete rezultate, ki se nanašajo na prenos toplote preko naravne ali prisilne konvekcije?
- Ali analizirate prehodne pojave?
- Ali bodo termične napetosti zaradi raztezanja zanemarljive?
- Ali potrebujete izvesti večje število termičnih analiz?
- Ali potrebujete termično analizirati kompleksen sestav?
- Ali potrebujete simulirati toplotne izmenjevalce, hladilna rebra ali hlajenje tiskanih vezij?
Če ste odgovorili z “Da” na vsaj eno od naštetih vprašanj, je prava izbira SOLIDWORKS Flow Simulation.
Konvekcija oz. prestop toplote
Popiše se s koeficientom toplotne prestopnosti, ki je v splošnem funkcija geometrije in hrapavosti površine ter termičnih lastnosti obtekajočega fluida. Kadar ne poznate vpliva toka tekočine in nimate podanih vrednosti za koeficient toplotne prestopnosti ali pa robne pogoje, ali pa ko želite izračunati vpliv naravne konvekcije, je potrebno izbrati metodo končnih volumnov s programom za CFD – SOLIDWORKS Flow Simulation.
Sevanje toplote
V FEA modelu je potrebno natančno definirati emisivnosti materialov in lastnosti okolice. Flow Simulation sevanje že zajema, omogoča pa tudi preračun v odvisnosti od sevalnega spektra, upošteva absorpcijo v delno-prosojnih materialih, sončno sevanje itd.
CFD analiza, ki jo omogoča SOLIDWORKS Flow Simulation, se najpogosteje uporablja za analizo toka tekočin, zaradi nelinearnega člena, ki ga vsebujejo Navier-Stokesove enačbe v formulaciji končnih volumnov, pa je ta metoda odlična tudi za reševanje problemov prenosa toplote in konvekcije kot posledica toka tekočine. Tako je možno simulirati hladilne sisteme, kjer prihaja do interakcije med površino in fluidom, prisiljene konvekcije, koeficienti prenosa pa so izračunani neposredno med simulacijo. FEA analize, ki jih omogoča SOLIDWORKS Simulation, pa se v termičnih analizah uporabljajo predvsem za probleme prevoda toplote v trdnih snoveh, kjer se konvekcija in sevanje upoštevata kot empirično pridobljena robna pogoja. Koeficient toplotne prestopnosti moramo zato predpostaviti kot konstanto po celotni površin, njegovo vrednost pa je potrebno poznati do določene stopnje natančnosti. V primeru CFD imajo lokalne hitrosti vzdolž površin, turbulenca in temperaturno odvisne lastnosti tekočine vpliv na koeficient toplotne prestopnosti in so vedno izračunane v CFD z visoko natančnostjo.
FEA se zato pretežno uporablja za analizo termičnih obremenitev in napetosti, ki se pojavijo kot posledica zaradi temperaturnih gradientov med segrevanjem. Vrednosti temperatur lahko pridobimo tako s FEA kot tudi s CFD analizo, le da se pri slednji za izračun obremenitev uporabljajo solverji, ki imajo združeni obe numerični metodi in omogočajo analize interakcije fluid-struktura (FSI, ang. Fluid-Structure Interaction). Pri analizi toka tekočin je zaradi nelinearnosti FEA metoda podvržena nestabilnosti in divergiranju vstran od ravnotežnega stanja.
Viri:
Parthan Veena, FEA or CFD for a better thermal solution accuracy?, Cadence, 10. november, 2022, dostopno na: https://community.cadence.com/cadence_blogs_8/b/cfd/posts/fea-or-cfd-for-a-better-thermal-solution-accuracy
Smith Andrew, Thermal analysis using SOLIDWORKS: FEA or CFD, GoEngineer, 31. maj, 2022, dostopno na: https://www.goengineer.com/blog/thermal-analysis-using-solidworks-fea-vs-cfd
Stenberg Dave, Heat Transfer and Thermal Analysis: When to Use FEA vs. CFD, Trimech blog, 8. oktober, 2018, dostopno na: https://blog.trimech.com/heat-transfer-and-thermal-analysis-when-to-use-fea-vs.-cfd