Von CFD zur Strukturanalyse: Temperatur und Druck übertragen

In einem Kessel, einem Abgaskrümmer oder einer Turbinenschaufel ist nicht die Temperatur selbst das Problem, sondern der Temperaturunterschied: Der Werkstoff dehnt sich in verschiedenen Bereichen unterschiedlich aus, diese Ausdehnung wird behindert, und es entsteht Spannung. Die Güte des von CFD zur Strukturanalyse übertragenen Feldes bestimmt daher das Spannungsergebnis unmittelbar.

Was beim Übertragen verloren geht

Der Gradient. Die beiden Netze unterscheiden sich; das CFD-Netz ist für die Strömung gebaut, das Strukturnetz für die Spannung. Bei der Interpolation werden scharfe Temperaturgradienten geglättet und die Spannung wird unterschätzt. In den kritischsten Bereichen — Schweißnähten, Querschnittsübergängen, Rändern von Kühlbohrungen — muss auch das Strukturnetz fein genug sein.

Flächenversatz. Decken sich die Oberflächen der beiden Netze nicht, lässt die Übertragung Lücken. Auf gekrümmten Flächen erzeugt das eine systematische Verschiebung.

Die Zeit. Ein stationäres CFD-Ergebnis liefert einen Zeitpunkt. Der Moment der höchsten Wärmespannung ist meist nicht der stationäre Zustand, sondern ein instationärer — Anfahren oder plötzliches Abkühlen. Siehe die Notiz zu stationär und instationär.

Die richtige Reihenfolge

1. Strömung und Festkörper gemeinsam lösen, um das Temperaturfeld zu erhalten. Ein allein durch Aufbringen von h gewonnenes Feld trifft den Gradienten nicht. Siehe die Notiz zur konjugierten Wärmeübertragung.
2. Die kritischsten Zeitschritte auswählen — nicht die Spitzentemperatur, sondern den Spitzengradienten.
3. Temperatur- und Druckfeld auf das Strukturnetz übertragen.
4. Nach dem Übertragen prüfen: Stimmen Höchst- und Tiefsttemperatur auf dem Strukturnetz mit den CFD-Werten überein? Wenn nicht, ist die Interpolation fehlerhaft.

Den Druck nicht vergessen

Besonders in dünnwandigen Strukturen können Wärmespannung und druckinduzierte Spannung von gleicher Größenordnung sein und einander verstärken. Sie getrennt zu bewerten heißt, die kritische Kombination zu verfehlen.

Referenzen

1. Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605
2. Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H. & Raad, P. E. (2008). Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130(7), 078001. DOI: 10.1115/1.2960953