Merkmale einer guten thermischen Simulation

Eine der fundamentalsten Anforderungen an ein Produkt, Bauteil oder System ist die Leistung und Zuverlässigkeit. Um diese Anforderungen im Vorfeld sicherzustellen ist eine gute thermische Simulation von entscheidender Bedeutung. Doch was zeichnet eine gute thermische Simulation aus? 

Genauigkeit

Eine gute thermische Simulation soll den realen Gegebenheiten gleichen. Deshalb ist der Einsatz von präzisen physikalischen Modellen, welche die tatsächlichen thermischen Eigenschaften und Verhältnisse des Materials und der Umgebung abbilden, unabdingbar. So können zum Beispiel die Umgebungstemperatur, die Wärmestrahlung und/oder die Konvektion eines Bauteils in einer Simulation berücksichtigt werden. Auch weitere Randbedingungen, wie die Stoffeigenschaften einer Kühlflüssigkeit z.B. die Dichte, die Wärmeleitfähigkeit oder die Kontaktwiderstande zwischen Flächen, können berücksichtigt und eingepflegt werden und somit realistische Ergebnisse erzielt werden. Die Materialeigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapizität und die Dichte sollten als Funktion der Temperatur berücksichtigt werden, da sie sich mit der Temperatur ändern können. Materialien können anisotrop (richtungsabhängig) oder inhomogen (räumlich variierend) sein. Eine gute thermische Simulation sollte dies berücksichtigen. Ein weiterer wichtiger Punkt, um die Genauigkeit sicherzustellen ist die ausreichende Vernetzung des Modells. Sind kleine Körperdetails und Zwischenräume eines Kühlkörpers nicht ausreichend aufgelöst kann der Wärmeübergang an die Luft nicht richtig dargestellt werden. Details wie Temperaturgradienten und Hotspots müssen erfasst werden, sonst kann dies schnell zu fehlerhaften Ergebnissen führen.

Eine zu feine Vernetzung hingegen führt zu einem zu hohem Berechnungsaufwand und somit zu einer hohen Berechnungszeit. Deshalb ist eine Simulation immer nach dem Motto: „so genau wie nötig, so wenig (Rechen-)Aufwand wie möglich“ aufzubauen. Hierzu eignet sich eine Netzunabhängigkeitsstudie mitwelcher sichergestellt werden kann, dass die Ergebnisse netzunabhängig sind und bei Verfeinerung des Netzes nicht mehr signifikant variieren. Dies gelingt nur mit viel Knowhow und Erfahrung. Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse verlässlich sind, sollten diese immer mit realen Testdaten validiert werden. Zum Vergleich eignen sich hierzu experimentelle Messungen.

Ergebnisorientierte Analysetools

Eine thermische Simulation sollte nicht nur Ergebnisse liefern, sondern auch eine Analyse dieser bieten. Dies beinhaltet die Interpretation von Temperaturverläufen, Wärmeverteilungen und anderen relevanten Daten. Damit Zeit und Kosten nicht unnötig in die Höhe getrieben werden sollte eine thermische Simulation in einem angemessenen Rahmen durchgeführt werden. Dies erfordert effiziente Simulationswerkzeuge und Berechnungsmethoden.

Eine gute thermische Simulation ist schlussendlich gekennzeichnet durch hohe Genauigkeit, Validierung, Berücksichtigung der Randbedingungen Effizienz und einer sorgfältigen Analyse der Ergebnisse. Nur durch Einhaltung dieser Punkte kann die Leistung und die Zuverlässigkeit eines Bauteils, Produkts oder Systems optimiert werden.