Zur Analyse und Bewertung der Wärmeübertragung

In vielen technischen Anwendungen, insbesondere bei elektrischen Antrieben, ist Kühlung ein mitentscheidendes Kriterium zur Erhöhung der Leistungsdichte. Die Verluste, die durch elektrische und/oder mechanische Widerstände am Bauteil entstehen, müssen an dessen Umgebung abgegeben und anschließend abtransportiert werden. Dadurch lassen sich Temperaturen reduzieren und das System kann mit höherer Profitabilität ausgelegt werden.

Die dabei zugrundeliegenden Vorgänge im fluiden Strömungsfeld sind Gegenstand der Forschung. Insbesondere bei dreidimensionalen Strömungen sind diese sehr komplex, wodurch umfangreiche Analysen zur Bewertung der Vorgänge experimentell schwer durchführbar sind. Durch den Einsatz numerischer Methoden der Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) wird dies möglich.

Aus der Berechnung liefert die CFD für jeden Diskretisierungspunkt sechs physikalische Größen. Zur Analyse und Bewertung der Vorgänge sind jedoch meist Lage und Eigenschaft der einflussnehmenden Größen im Vorfeld unbekannt. Eine Auswertung aller Größen ist bei vielen technischen Anwendungen aufgrund der großen Menge an Informationen sehr zeitintensiv.

In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass relevante Einflussgrößen auf die Wärmeübertragung mit Hilfe physikalisch basierter Indikatoren berücksichtigt und dadurch zielgerichtete Analysen ermöglicht werden. Daraus ergeben sich innerhalb der Strömung dominierende Vorgänge, sowie Gebiete mit großem Potenzial zur Verbesserung der Wärmeübertragung. Abschließend erfolgt am Beispiel eines elektrischen Generators die Anwendung der Indikatoren zur Temperaturreduzierung mittels CFD-basierten Optimierungsmethoden (CFD-O) und einer Flächenvergrößerung im Potenzialgebiet.