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Temperaturverteilungen über heißen Oberflächen und in Reibstellen

31.10.2007

Die Berechnung der Temperaturverteilung über einer heißen, ruhenden Oberfläche und in einer Reibstelle bei freier Konvektion sowie die Validierung der CFD-Simulationrechnungen waren 2007 die Themenschwerpunkte im Projekt "Simulation mechanisch erzeugter Zündquellen". Die Validierung erfordert verlässliche experimentelle Daten, damit die Simulationsrechnungen auch bei experimentell nicht zugänglichen Anordnungen angewendet werden können.

Im Vorfeld des Gesamtprojektes wurde eine umfangreiche Literaturstudie zur Entzündung an heißen Oberflächen durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass die untersuchten Literaturstellen nicht die erforderliche Bewertung der Versuchsbedingungen zuließen. Somit waren die Voraussetzungen für eine Nachbildung der untersuchten Versuchsaufbauten in der Simulation nicht gegeben.

Als Konsequenz hieraus wurde ein eigener Versuchaufbau realisiert, welcher durch seine Randbedingungen leicht in der Simulation nachzubilden ist. Wert wurde vor allem auf konstante Randbedingungen, wie z.B. Isotherme oder adiabatische Wände und Vernachlässigung von Strahlungstermen für die Wärmeübertragung gelegt. Dies stellt in Hinsicht auf den weiten Temperaturbereich eine Herausforderung dar. Ziel war eine maximale Oberflächentemperatur von ca. 500°C und eine Temperaturdifferenz von ca. 470 K in einem engen Bereich zu erreichen. Erste Messungen bei 250°C und 380°C zeigten, dass die Ziele erreicht werden konnten.

Für die Simulationsrechnungen wird die Software CFX10, bzw. CFX11 eingesetzt. Resultierend aus den theoretischen Betrachtungen kann bei genannten Randbedingungen davon ausgegangen werden, dass sowohl der reale Wärmestrom als auch die Temperatur in den Simulationsrechnungen um bis zu ca. 30% unterschätzt wird. Bei erzwungener Konvektion sind die Abweichungen deutlich geringer (max. 3%). Voraussetzungen hierfür sind die Verwendung des richtigen Modellansatzes, die korrekte Abbildung der Randschicht und die Verwendung des richtigen Gittermodells.

Weiterhin wurde die Erwärmung in einer Reibstelle für das globale System nachgestellt, ohne Blitztemperaturen zu berücksichtigen. Der sich ergebende Wärmestrom, resultierend aus der Relativgeschwindigkeit, der Anpresskraft und dem Reibkoeffizienten wurden als Eingangswerte berücksichtigt, ebenso eine vereinfachte Abbildung der realen geometrischen Verhältnisse. Maßgebliche Unterschiede ergeben sich auf Grund die verscheidenen Materialpaarungen, welche in der Reibstelle vorliegen. Die Reibpartner bestehen z.B. aus nicht rostendem Stahl (z.B. 1.4145). Der Stift hat einen Durchmesser von 8 mm, die Reibscheibe einen Durchmesser von 200 mm (Bild 1).


Bild 1: Erwärmung an einem VA Stift