Inhalt. Numerische Simulation für gekoppelte Phänomene Künzelsau, 10. Dezember Motivation

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1 Numerische Simulation für gekoppelte Phänomene Künzelsau, 10. Dezember 2014 Fabian Scheuren Comsol Multiphysics GmbH Motivation Inhalt Multiphysik Praxisbeispiel Demo einer gekoppelten Simulation Ausblick: Simulations-Applications 1

2 Inhalt Motivation Multiphysik Praxisbeispiel Demo einer gekoppelten Simulation Ausblick: Simulations-Applications Theorie Multiphysik-Simulation Prototyp Mathematisches Modell PDEs Parametrisierung Optimierung virtuelle Experimente Neue Designideen Kostenintensiv & zeitaufwändig Nur wenige werden tatsächlich realisiert Kosten Risiken Zeit Verständnis Innovation 2

3 Inhalt Motivation Multiphysik Praxisbeispiel Demo einer gekoppelten Simulation Ausblick: Simulations-Applications Multiphysik = Mehrfeldsimulation Warum Multiphysik? Alle physikalischen Phänomene lassen sich durch PDEs beschreiben: Strukturmechanik, Wärmetransport, Elektromagnetik, Strömungsmechanik, chemische Reaktionen, Akustik, usw. In der Natur treten in der Regel verschiedene Phänomene gekoppelt auf: Abhängigkeit der Koeffizienten / Materialeigenschaften von physikalischen Größen Lastterm auf dem Rand oder im Gebiet Konvektion, usw. Eine realistische Beschreibung eines Prozesses oder Zustandes ist nur gegeben, wenn man die Wechselwirkung verschiedenster Phänomene kombiniert in einem Modell betrachtet. 3

4 COMSOL Multiphysics Chemische Reaktionen Strömung Multiphysik Elektromagnetik Wärmetransport Strukturmechanik Eigene Gleichungen Akustik Optik Bass-Reflex-Box Multiphysik: Magnetostatik Elektrodynamik Strukturmechanik Akustik 4

5 Aufheizung durch Abgase Kühlung über Kanal im Innern Hohe Temperaturgradienten verursachen erhebliche Spannungen Multiphysik: Strukturmechanik Wärmetransport Strömungsmechanik Turbinenschaufel Kann einfach sein: Strömung transportiert Wärme Multiphysik Kann sehr komplex sein: Strömung gekoppelt mit Strömung in porösen Medien Chemische Reaktionen im strömenden Fluid Wärmeerzeugung und -Absorption Konvektion Temperaturabhängige Reaktionsraten Temperaturabhängige Materialparameter (Viskosität, Dichte, etc.) 5

6 Konvektive Kühlung elektronischer Bauteile Kopplungen: Elektro-thermische Wechselwirkung Fluid-thermische Wechselwirkung Fluid-Thermische Wechselwirkung Wärmeleitung mit elektrischem Quellterm Q und Konvektionsterm k T Q C p u T Schwach kompressible Navier-Stokes T 2 u I F u u p I u u 3 Materialparameter für Luft T, C T, p, T, T k p 6

7 Thermisches Management für Si-Chip Elektro-thermische Wechselwirkung Optimierung des Layouts Multiphysik: Elektrodynamik Wärmetransport Elektro-thermische Wechselwirkung EM Analyse: V 0 1 1( T 0 T 0 ) C p Joule sche Erwärmung T t kt Q 1 mit Q J 2 E 2 J E Temperaturverteilung f (T ) 7

8 Elektro-thermische Wechselwirkung Randbedingungen in verschiedenen Interfaces Kopplung über Multiphysics-Knoten Temperature Coupling temperaturabhängige Materialeigenschaften, z.b. linearized resistivity f (T ) Electromagnetic Heat Source (3D/2D) EM-Verluste sind Quellterm für Wärmetransport Q J E Elektrothermische Erwärmung Speziell angepasste Studie für Joule Heating + Induction Heating: Frequency - Stationary Frequency - Transient Zur Trennung aufgrund von unterschiedlichen Zeitkonstanten -> EM-Simulation im Frequenzbereich, Lösung der Wärmetransportgleichung transient oder stationär 8

9 Demo Joule-Heating STROMSCHIENE Joulesche Erwärmung Kupferstromschiene Titanbolzen 9

10 Thermisch: Randbedingungen Elektrisch: Isolation Erdung Wärmefluss / konvektive Kühlung Elektr. Potential, 20mV Temperatur Ergebnisse Stromdichte 10

11 Workflow 1. Wahl der Dimension 2. Erstellung der Geometrie 3. Wahl der Materialparameter 4. Zuweisen physikalischer Eigenschaften 5. Vernetzung 6. Lösung 7. Auswertung der Ergebnisse Demo Joule-Heating STROMSCHIENE 11

12 Inhalt Motivation Multiphysik Praxisbeispiel Demo einer gekoppelten Simulation Ausblick: Simulations-Applications Anwenderberichte aus Forschung & Entwicklung 12

13 MULTIPHYSIKALISCHE SIMULATION HILFT MIELE BEI DER OPTIMIERUNG VON INDUKTIONSHERD-DESIGNS CHRISTIAN SCHRÖDER, MIELETEC FH BIELEFELD HOLGER ERNST, MIELE Extract from COMSOL News COMSOL. All rights reserved. Die Aufgabenstellung Verbesserung der Energieeffizienz von Induktionsherden Besseres Verständnis der Induktionswirkung auf Kochtöpfe, sowohl elektromagnetisch als auch thermisch Reduktion der Prototypanzahl Wirbelströme im Topf produzieren einen schrillen Ton, der sehr schwer zu vermeiden ist Wechselwirkung des paramagnetischen Kochgeschirrs mit dem Magnetfeld der Spule kann zu Bewegungen des Topfes auf dem Herd führen Extract from COMSOL News COMSOL. All rights reserved. Aufbau für eine Testkampagne, durchgeführt von Werner Klose (links) und Mikhail Tolstykh (rechts), Mitarbeiter der Forschungsabteilung. Die Herdabdeckung wurde entfernt, so dass die inneren Bauteile des Herdes sichtbar sind. 13

14 Die Lösung Durch die hohe Simulationsgenauigkeit konnte Miele das Design des Herdes schon vor dem Prototypbau optimieren Die Zahl der nötigen Versuche am Prototypen zur Entwicklung des endgültigen Designs konnte um 80% reduziert werden Kunden profitieren von verbesserter Energieeffizienz und Kocherfahrung Mithilfe des multiphysikalischen Ansatzes konnten die Miele-Entwickler sicherstellen, ein optimales Kochergebnis zu erreichen, während gleichzeitig der Kochtopf an Ort und Stelle bleibt und keinen schrillen Ton von sich gibt Das AC/DC Module und Heat Transfer Module wurden verwendet Die simulierte Geometrie besteht aus Induktionsherd und Kochtopf. Verschiedene Materialien werden dabei berücksichtigt (von unten nach oben): Aluminium (blau), Ferrit (rot), Windungen der Kupferspule (braun), Glimmer (orange), Glaskeramik (türkis), Metalltopf (grün und dunkelgelb). Die Lorentzkräfte, die auf das System wirken, werden durch die gelben Pfeile angezeigt. Extract from COMSOL News COMSOL. All rights reserved. Die Modellierung Wärmetransport und Elektromagnetik wurden simultan gelöst, um optimale Betriebspunkte für das Induktionsherd- System zu finden Durch Parameterstudien über Wechselstromfrequenzen und Spulengeometrien konnte ein Design entwickelt werden, das fast keine hörbare Geräusche verursacht Modellierung der magnetischen Kräfte im System ergab eine Konfiguration, bei der sich der Topf nicht bewegt Der Vergleich zwischen COMSOL Multiphysics Ergebnissen (magnetische Flussdichte, normiert) und experimentell ermittelten Feldlinien zeigt die Genauigkeit der Simulation und dass diese zum Test weiterer Spulendesigns verwendet werden kann, bevor ein Prototyp gebaut wird. Extract from COMSOL News COMSOL. All rights reserved. 14

15 Inhalt Motivation Multiphysik Demo Joule-Heating Praxisbeispiel Demo Induction-Heating Ausblick: Simulations-Applications Demo Induction-Heating STAHLERWÄRMUNG 15

16 Induktive Erwärmung Stahlstab, der bewegt wird (Translationsterm) u = 0.1m/s Vernetzung: Skin-Effekt Temperaturgradient Randbedingungen Wärmefluss (konduktiv & konvektiv) an gesamter Oberfläche + Wärmeabstrahlung Spule mit n Windungen (MTCD) 16

17 Temperatur Ergebnisse Stromdichte Demo Induction-Heating STAHLERWÄRMUNG 17

18 Inhalt Motivation Multiphysik Demo Joule-Heating Praxisbeispiel Demo Induction-Heating Ausblick: Simulations-Applications COMSOL Application Application = Modell + Nutzeroberfläche Endung der Application-Datei:.mphapp Passwortschutz für: Vom Modell zur App: Helikopter - Taumelscheibe Ausführen der App Bearbeiten der App / des Modells 18

19 Der Application Builder Zur Erstellung von Apps basierend auf COMSOL Multiphysics Modellen In der Windows Version von COMSOL Multiphysics enthalten Apps laufen mit COMSOL Multiphysics auf allen Plattformen Der COMSOL Server Zum Bereitstellen von Apps für die weltweite Anwendung Clients: COMSOL Client für Windows Web Browser Administratorwerkzeuge Erzeugung von User Accounts und Festlegung von Nutzungsrechten Erzeugung von User Groups und mehr 19

20 COMSOL Blog Täglich neue Beiträge 20

21 Welche Fragen haben Sie? 21