Konvektion

Konvektion ist ein Mechanismus des Wärmetransportes, bei dem bewegliche Teilchen thermische Energie an einem Ort aufnehmen und an einem anderen Ort wieder abgeben. Sie ist somit an einen Stofftransport gebunden, der nicht im Vakuum oder in einem Festkörper stattfinden kann, in Flüssigkeiten und Gasen aber nahezu unvermeidlich ist. Die Konvektion hängt demzufolge von der Beweglichkeit der beteiligten Teilchen ab und ist daher fest mit den Strömungsbedingungen im Fluid gekoppelt.

Für die Vorhersage von Temperaturfeldern in Strukturen, bei denen Konvektion beteiligt ist, interessiert vor allem der konvektive Wärmeübergang bzw. der Wärmeübergangskoeffizient an der Wand zwischen Festkörper und Fluid. Er entspricht einer Überlagerung der beiden physikalischen Mechanismen, Wärmeleitung und Konvektion. Der Wärmeübergangskoeffizient selbst wird definiert durch die Wärmemenge, die durch eine Wand fliesst, wenn zwischen der Oberfläche und dem Fluid ein Temperaturunterschied besteht. Die Grösse des Wärmeübergangskoeffizienten hängt demzufolge von den Stoffeigenschaften, dem Aggregatzustand und den wandnahen Strömungsbedingungen ab.

Je nach Ursache für die Strömung unterscheidet man zwischen freier und erzwungener Konvektion. Bei freier bzw. natürlicher Konvektion entsteht die Teilchenbewegung durch den temperaturbedingten Dichteunterschied im Fluid, wohingegen bei erzwungener Konvektion äussere Kräfte dafür verantwortlich sind.

Rechenzeit / Modellgrösse

Abhängig von der geforderten oder gewünschten Ergebnisgüte muss die Wärmeübertragung infolge von Konvektion in der Simulation mit unterschiedlichen Modellen abgebildet werden. Reicht eine gute Näherung, können der Wärmeübergangskoeffizient und die zugehörige Fluidtemperatur als Randbedingungen in einer einfachen Temperatursimulation angegeben werden. Dabei werden in der Regel grössere Bereiche mit ähnlichen Verhältnissen zusammengefasst. Ist hingegen die genaue räumliche Verteilung der Wärmeübergangskoeffizienten notwendig oder die Strömungsbedingungen zeigen eine starke Abhängigkeit von der Wandtemperatur und/oder dem Wärmestrom, ist eine gekoppelte Strömungs- und Temperatursimulation erforderlich.

Entsprechend gross ist der Unterschied im Aufwand für die Modellbildung und die Lösung der Gleichungssysteme. Vielfach ist aber eine einfache Temperaturfeldsimulation ausreichend. Da in diesem Fall nur die Temperatur als Freiheitsgrad vorhanden ist, ergibt sich ein relativ kleines Gleichungssystem, das verhältnismässig schnell gelöst werden kann. Insbesondere in der Konzeptphase, wenn es weniger um die absoluten Werte als um eine grundsätzliche Bewertung verschiedener Designvarianten geht, ist dieser Ansatz am effizientesten.

Bedeutung

Eine Temperaturfeldsimulation, bei der keine Konvektion stattfindet, ist Sonderfällen vorbehalten. Entsprechend hoch ist ihre Bedeutung für thermische Simulationen.