MULTIPHYSIK

MÖGLICHKEITEN aufzeigen, physikalische Disziplinen verbinden.

Die Welt, in der wir leben, wirkt vielfältig auf uns ein. Mechanische Kräfte, Wind, Wärme, Kälte oder Elektromagnetismus sind Beispiele solcher physikalischen Phänomene. Der Effekt eines jeden dieser Phänomene kann mit der Finiten Element Methode individuell berechnet werden. Die Multiphysik beschreibt die Kopplung dieser Disziplinen in einer gemeinsamen Analyse. Dabei lassen sich je nach Themengebiet beliebige Kopplungen realisieren.

Viele technische Komponenten sind wechselnden thermischen Belastungen ausgesetzt. Sei es ein Motor, der bei Betrieb warm wird, oder ein Wärmetauscher, eine Kältemaschine oder eine prozesstechnische Anlage. Hinzu kommen zu kühlende oder zu wärmende Räume oder isolierte Tanks. Sie alle weisen innerhalb der Struktur erhebliche Temperaturunterschiede auf, die sich zum Teil über die Zeit verändern.

Es gibt drei Hauptursachen für den Transport von thermischer Energie innerhalb eines Systems:

  • Wärmeleitung (Konduktion)
  • Wärmestrahlung
  • Thermische Konvektion

Wir nutzen die Finite Element Methode (FEM) sowie die Computational Fluid Dynamics (CFD) um die Temperaturverteilung in Ihrer Konstruktion oder der umgebenden Flüssigkeit zu ermitteln.

Statisch-thermische Simulation

Bei der statisch-thermischen Simulation sind die Temperaturen an verschiedenen Positionen innerhalb der Konstruktion bekannt. So kann mit wenig Aufwand die Temperaturverteilung bzw. das Temperaturfeld innerhalb der Konstruktion ermittelt werden.

Anwendungsfälle sind unter anderem:

  • Isolierung eines Tanks
  • Wärmetauscher mit definierter Einlass- und Auslasstemperatur
  • Maschinenraum mit Erwärmung durch die Aggregate und Kühlung durch Lüfter
  • Schaltkreise, Regler und Sensoren

Dynamisch-thermische Simulation

Bei der dynamisch-thermischen Simulation ist die zeitabhängige änderung der Temperatur innerhalb der Struktur von Interesse. So kann das Aufwärmen bzw. Abkühlen im Zeitbereich simuliert werden.

Anwendungsfälle sind unter anderem:

  • Aufheizen eines Tanks
  • Herunterkühlen eines Raums
  • Aufheizen einer Struktur im Feuer (Brandversuch)

ändert sich die Temperatur innerhalb eines Bauteils, führt dies zu Verformungen. Wenn durch Randbedingungen oder Temperaturunterschiede innerhalb der Struktur Zwangsbedingungen entstehen, kommt es zu Spannungen innerhalb des Materials. Wir koppeln die Ergebnisse der thermischen Simulation mit einer mechanischen Finite Element Analyse, um diese Verformungen und Spannungen zu bestimmen.

Diese Ergebnisse lassen sich dann auch mit anderen mechanischen Belastungen innerhalb der FEA kombinieren. Von hoher Bedeutung ist dies beispielsweise bei Industrieanlagen wie Kältemaschinen, Wärmetauschern und Kesselanlagen. Diese müssen Kräfte und Drücke während des Betriebs trotz unterschiedlicher thermischer Lasten ertragen.

Bei dynamischen thermischen Berechnungen können gezielt stichprobenartig statische Festigkeitsberechnungen durchgeführt werden. Diese stellen dann Momentaufnahmen dar. Alternativ kann auch die Festigkeit im Zeitbereich transient berechnet und ausgewertet werden.

In der Regel sind die Materialeigenschaften der verwendeten Werkstoffe abhängig von der Temperatur. So kommt es bei metallischen Werkstoffen im Brandfall durch eine Reduktion des E-Moduls und der Zugfestigkeit zum Versagen des gesamten Bauteils. In unseren FEM Simulationen berücksichtigen wir diesen Effekt.

Ein Spezialfall dieses Bereichs sind Brandversuche und Feuertests. Werden diese experimentell durchgeführt, sind die Kosten beträchtlich, zumal der Testkörper nicht weiter verwendet werden kann.

Eine effizientere Lösung kann die Durchführung des Brandversuchs durch eine FEM Berechnung sein. Dabei wird die durch das Feuer auftretende Temperatur auf der einen Seite des Testkörpers aufgebracht und die Ausbreitung der Temperatur durch die Konstruktion im Zeitbereich simuliert. So kann die Eignung der Isolierung für Brandschutztüren, Deckenverkleidungen oder Wände untersucht werden. Auch die resultierende Verformung kann ermittelt werden. So lassen sich klaffende Fugen von Dichtungen oder Verschraubungen, durch die Rauchgase eindringen können, finden.

Ein weiterer Vorteil der FEM Berechnung im Vergleich zum Experiment ist, dass Variationen im Fall eines unzureichenden Ergebnisses sehr kostengünstig durchgeführt werden können. Auch Potential für Optimierungen lässt sich leicht erkennen und analysieren.

Wir führen für Sie Brandversuche nach gängigen Vorschriften wie des 2010 FTP Codes durch.

Wir beherrschen Komplexität.


Brandversuch und Feuertest
CFD Berechnung und FSI
Thermodynamik simulation CFD

REFERENZEN

Eine Auswahl unserer Referenzen:

  • CFD-Berechnung einer Feuerausbreitung an Bord eines Kreuzfahrtschiffes
  • CFD-Berechnung der Feuerbekämpfung durch eine Nebelsprühanlage
  • CFD-Berechnung der Strömung in einem Motorenmodul und einem Druckluftmodul einer Lokomotive
  • Berechnung der Festigkeit und Thermodynamik eines 22,000 m³ FLNG-FLEX Gastankers
  • Statische und dynamische Berechnungen der Temperaturverteilung, Verformung und Spannungsverteilung eines LPG Tanks
  • Untersuchung des Dehnungsverhaltens einer Isolierung eines LNG Tanks
  • Vollständige Modellierung eines Brennofens und numerische Berechnung eines B15-Feuertest für eine Silikatdecke
  • Simulation eines A30 Brandversuchs einer Stahltür mithilfe von FEM

 

Eine Gesamtliste unserer Referenzen stellen wir Ihnen gerne in einem persönlichen Gespräch vor.

S.M.I.L.E. - FEM

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