Definition and Determination of Fin Substitution Factors Accelerating Thermal Simulations

The effort of numerical heat transfer calculations increases with the complexity and size of the domains and surfaces under consideration. When calculating heat transfers on finned arrays, one way to reduce this effort is to substitute the fins. Therefore, this work defines the fin substitution factor by considering that a smooth surface behaves thermally sufficiently similar to a specific finned array. A process for determining the case-specific most accurate analytical computation path for fin substitution factors is also defined. The performance of the process and the resulting solution is demonstrated using the example of vertical rectangular finned arrays under natural convective heat transfer with a constant fin base temperature and air as the surrounding fluid. The heat flows determined in solid-state simulations of flat plates considering fin substitution factors deviated by an average of 6.2% from the heat flows resulting from detailed CFD simulations of the corresponding finned arrays

Definition and Determination of Fin Substitution Factors Accelerating Thermal Simulations

The effort of numerical heat transfer calculations increases with the complexity and size of the domains and surfaces under consideration. When calculating heat transfers on finned arrays, one way to reduce this effort is to substitute the fins. Therefore, this work defines the fin substitution factor by considering that a smooth surface behaves thermally sufficiently similar to a specific finned array. A process for determining the case-specific most accurate analytical computation path for fin substitution factors is also defined. The performance of the process and the resulting solution is demonstrated using the example of vertical rectangular finned arrays under natural convective heat transfer with a constant fin base temperature and air as the surrounding fluid. The heat flows determined in solid-state simulations of flat plates considering fin substitution factors deviated by an average of 6.2% from the heat flows resulting from detailed CFD simulations of the corresponding finned arrays

Validierung des konvektiven Wärmeübergangs der Freeware Z88Aurora® mithilfe analytischer Beispiele und kommerzieller Software

Die Finite Elemente Analyse hat sich in vielen industriellen Anwendungsgebieten zu einem elementaren Werkzeug für den Produktentwicklungsprozess entwickelt. Zu diesen Anwendungsbereichen zählen u. a. der Fahrzeugbau, die Medizintechnik und der Sondermaschinenbau. Neben Strömungssimulationen und der numerischen Berechnung von elastomechanischen Strukturen sind auch thermomechanische Analysen mithilfe der FEA durchführbar. Kleine und mittelständische Unternehmen können jedoch nicht immer auf einen wirtschaftlichen Einsatz von kommerziellen FEA-Tools zurückgreifen und sind folglich auf Freeware Programme wie Z88Aurora® angewiesen. Die häufig für den Entwickler interessierende stationäre Wärmeleitung und die aus dem Temperaturunterschied resultierende thermische Dehnung von Bauteilkomponenten gehören längst zum Tagesgeschäft. Für eine realitätsnahe Auslegung von beispielsweise Kühlkörpern oder Rippen muss zusätzlich die konvektive Wärmeübertragung berücksichtigt werden. Hierbei wird der Wärmetransport zwischen einer Bauteiloberfläche und dem Umgebungsmedium, wie z. B. Luft oder Kühlwasser, untersucht. Diese erweiterte Abbildung der Temperaturanalyse definiert als Randbedingung eine Wärmestromdichte auf einer Bauteiloberfläche, welche proportional zur Temperaturdifferenz beider Systemkomponenten ermittelt wird. Zudem gehen nichtlineare Einflüsse aus den Materialeigenschaften des Fluids und aus dem entstehenden Strömungsverhalten über den sog. Wärmeübergangskoeffizienten in die Simulation ein. Aufgrund dieser Komplexität kann über empirisch ermittelte Korrelationsgleichungen die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden. Diese Erweiterung des Thermomoduls wird in der neuen Version von Z88Aurora®V5 dem Anwender zur Produktentwicklung angeboten. Eine für den industriellen Einsatz essentielle Validierung der Berechnungsergebnisse wird über analytische Vergleichsrechnungen am Beispiel einer Kühlrippe nachgewiesen

Validierung des konvektiven Wärmeübergangs der Freeware Z88Aurora® mithilfe analytischer Beispiele und kommerzieller Software

Die Finite Elemente Analyse hat sich in vielen industriellen Anwendungsgebieten zu einem elementaren Werkzeug für den Produktentwicklungsprozess entwickelt. Zu diesen Anwendungsbereichen zählen u. a. der Fahrzeugbau, die Medizintechnik und der Sondermaschinenbau. Neben Strömungssimulationen und der numerischen Berechnung von elastomechanischen Strukturen sind auch thermomechanische Analysen mithilfe der FEA durchführbar. Kleine und mittelständische Unternehmen können jedoch nicht immer auf einen wirtschaftlichen Einsatz von kommerziellen FEA-Tools zurückgreifen und sind folglich auf Freeware Programme wie Z88Aurora® angewiesen. Die häufig für den Entwickler interessierende stationäre Wärmeleitung und die aus dem Temperaturunterschied resultierende thermische Dehnung von Bauteilkomponenten gehören längst zum Tagesgeschäft. Für eine realitätsnahe Auslegung von beispielsweise Kühlkörpern oder Rippen muss zusätzlich die konvektive Wärmeübertragung berücksichtigt werden. Hierbei wird der Wärmetransport zwischen einer Bauteiloberfläche und dem Umgebungsmedium, wie z. B. Luft oder Kühlwasser, untersucht. Diese erweiterte Abbildung der Temperaturanalyse definiert als Randbedingung eine Wärmestromdichte auf einer Bauteiloberfläche, welche proportional zur Temperaturdifferenz beider Systemkomponenten ermittelt wird. Zudem gehen nichtlineare Einflüsse aus den Materialeigenschaften des Fluids und aus dem entstehenden Strömungsverhalten über den sog. Wärmeübergangskoeffizienten in die Simulation ein. Aufgrund dieser Komplexität kann über empirisch ermittelte Korrelationsgleichungen die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden. Diese Erweiterung des Thermomoduls wird in der neuen Version von Z88Aurora®V5 dem Anwender zur Produktentwicklung angeboten. Eine für den industriellen Einsatz essentielle Validierung der Berechnungsergebnisse wird über analytische Vergleichsrechnungen am Beispiel einer Kühlrippe nachgewiesen

Digital Engineering Methods in Practical Use during Mechatronic Design Processes

This work aims to evaluate the current state of research on the use of artificial intelligence, deep learning, digitalization, and Data Mining in product development, mainly in the mechanical and mechatronic domain. These methods, collectively referred to as “digital engineering”, have the potential to disrupt the way products are developed and improve the efficiency of the product development process. However, their integration into current product development processes is not yet widespread. This work presents a novel consolidated view of the current state of research on digital engineering in product development by a literature review. This includes discussing the methods of digital engineering, introducing a product development process, and presenting results classified by their individual area of application. The work concludes with an evaluation of the literature analysis results and a discussion of future research potentials