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Wärmestrahlung

Wärmestrahlung basiert auf elektromagnetischen Wellen, die von Körpern und Flüssigkeiten an die Umgebung abgegeben werden. Diese thermische Strahlung erfolgt schon alleine deshalb, weil die Körper eine positive thermodynamische Temperatur besitzen. Wie alle elektromagnetischen Wellen ist auch die Temperaturstrahlung nicht an das Vorhandensein von Materie gebunden. Bei Festkörpern ist die Wärmestrahlung ein Oberflächen-, bei den meisten Flüssigkeiten ein Volumeneffekt.

Nach dem Kirchhoff’schen Strahlungsgesetz ist die Emission gleich der Absorption und beide sind abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit. Bezüglich ihres Strahlungsvermögens wird sie mit dem sogenannten Emissionskoeffizienten beschrieben. Glänzende, perfekt spiegelnde Oberflächen nehmen über Wärmestrahlung weder Energie auf noch geben sie welche ab. Dazu genau anders herum verhält es sich bei matten, schwarzen Oberflächen.

Für den Wärmetransport zwischen Körpern mit Wärmestrahlung ist es zudem bedeutsam, wie gut die Oberfläche des jeweils anderen Strahlers sichtbar ist. Für den Austausch ist also nicht wichtig, wie gross eine Fläche ist, sondern wie viel von ihr tatsächlich gesehen wird. Dies macht eine Definition oder Bestimmung der sogenannten Sichtfaktoren zwischen den Flächen notwendig.


Rechenzeit / Modellgrösse

Bei der Simulation von Temperaturfeldern mit Wärmestrahlung unterscheidet man für gewöhnlich zwei Fälle, die Strahlung in den freien Raum und die Strahlung zwischen mehreren Körpern. Die erste Modellierungsmöglichkeit stellt eine Vereinfachung dar. Sie ist dafür mit deutlich weniger numerischem Aufwand verbunden, da die sonst notwendigen Sichtfaktoren nicht vorab bestimmt werden müssen.

Der durch Wärmestrahlung übertragbare Wärmestrom ist gemäss dem Stefan-Boltzmann-Gesetz von der vierten Potenz der Oberflächentemperatur abhängig. Daher führt die Berücksichtigung der thermischen Strahlung zwangsläufig zu einem langsameren Konvergenzverhalten, das sich entsprechend in der notwendigen Rechenzeit niederschlägt.

Sowohl die Bestimmung der Sichtfaktoren als auch die starke Nichtlinearität sind bei der Modellgrösse zur berücksichtigen.


Bedeutung

Auch wenn immer vorhanden, ist in vielen technischen Anwendungen der Anteil des Wärmestroms infolge von Wärmestrahlung relativ klein im Vergleich zur Wärmemenge, die durch Konvektion oder Wärmeleitung übertragen wird. Sie kann daher oftmals vernachlässigt werden. Inwieweit dies toleriert werden kann, ist situationsabhängig und bedarf einer sorgfältigen Abschätzung.

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