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Simulation AMET und Olsa bringen Licht in den Wärmeübertragungsvorgang Die Konstruktion von PKW-Rücklichter wird zu einer Herausforderung, da Kompromisse zwischen der Helligkeit und der Hitzebeständigkeit gefunden werden müssen.

| Autor/ Redakteur: Flavio Cimolin, AMET S.r.l, Andrea Menotti, Olsa S.p,A, Lucia Sclafani, CD-adapco / Karl-Ullrich Höltkemeier

Die Konstruktion der Rücklichter für die Automobilbranche wird zunehmend zu einer größeren Herausforderung, da immer feinere Kompromisse zwischen der Helligkeit des Produkts und der Hitzebeständigkeit gefunden werden müssen. Erst nachdem die Ingenieure dieses komplexe, jedoch entscheidende Gleichgewicht gefunden haben, können stilistische und ästhetische Überlegungen zur Gleichung hinzukommen.

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AMET und Olsa bringen Licht in den Wärmeübertragungsvorgang. Beispiel Birnentemperatur.
AMET und Olsa bringen Licht in den Wärmeübertragungsvorgang. Beispiel Birnentemperatur.
(Bild: cd-adapco)

OLSA, Lieferant für Innen- und Außenbeleuchtungen in der Automobilbranche und AMET, ein Unternehmen, das sich auf Design und Entwicklung von Produkten und Prozessen mithilfe numerischer Simulationen spezialisiert hat, haben eine komplette Methodik für die thermomechanische Simulation einer Leuchte entwickelt. Dieses umfassende Modell verfolgt den Austausch der thermischen Konvektions- und Strahlungswärme vom Glühfaden der Leuchte aus, und umfasst die Transparenzeffekte der Birne sowie das Wechselspiel mit den anderen Komponenten der Einheit.

Die Methode wurde durch experimentelle Vergleiche mit einem einfachen Prototyp einer Leuchte erfolgreich validiert. Die Ergebnissen von STAR-CCM+ zeigen eine gute qualitative Übereinstimmung und eine perfekte Energiebilanz.

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Die Herausforderung

Beim Entwerfen einer Automobilleuchte ist die genaue Vorhersage des thermischen Verhaltens entscheidend: Starke Wärmebelastungen können schwere Kunststoffverformungen sowohl des Gehäuses als auch der externen Linsen verursachen, was zu generellen Schäden an den optischen Komponenten insgesamt führen kann. Das stellt bei der Einbeziehung moderner Designs, für die die Verwendung dünnerer und leichterer Materialien (häufig in unkonventionellen geometrischen Konfigurationen eingesetzt) erforderlich ist, ein erhebliches Problem dar.

Damit ein neu entwickeltes Rücklicht zum Einsatz an einem Fahrzeug zugelassen werden kann, muss es eine Reihe an physischen Tests bestehen. Die Verwendung einer Simulation in den frühesten Phasen des Konstruktionsvorgangs kann dazu beitragen, die Wahrscheinlichkeit, diese Tests nicht zu bestehen, deutlich zu reduzieren, wodurch sowohl Kosten als auch die Entwicklungszeit erheblich verringert werden.

Ein Modell ausarbeiten

Eine Fahrzeugleuchte kann als ein komplexes thermomechanisches System betrachtet werden, in dem die Belastungen auf die Komponenten stark von der Wärmübertragung zwischen diesen abhängt. Die Hauptquelle der thermischen Energie ist der Glühfaden, der leicht Temperaturen von mehr als 3.500 °C erreichen kann und Strahlungswärme abgibt.

Ein Teil dieser Strahlung wird von der transparenten Birne absorbiert, die Temperaturen zwischen 400 und 600 °C erreicht und daher zu einer wichtigen eigenständigen Strahlungsquelle wird. Mit dem STAR-CCM+-Strahlungsmodell von Oberfläche zu Oberfläche und einem Kirchhoff-Modell für die Transparenz reproduziert das Modell die grundlegenden Übertragungsmechanismen für die Strahlungswärme.

Auch wenn die Strahlung der dominante Mechanismus für die Wärmeübertragung ist, ist der Einfluss der natürlichen Konvektion ebenfalls beträchtlich, da große Temperaturunterschiede zwischen der Lampe und dem Hauptkörper der Leuchte die Luftumwälzung in der Leuchte verändern, was zu „Hotspots“ beispielsweise direkt über der Leuchte führt.

Ein typisches Modell für eine Rückleuchte – einschließlich der Festkörperbestandteile und mehreren Leuchten und anderen optischen oder Abschirmungskomponenten sowie des internen Luftvolumens – erfordert eine Netzgröße von mindestens 500.000 Zellen. Wird externe Luft berücksichtigt, kann die Anzahl der Zellen mehr als 3 Millionen erreichen, was für eine stationäre Simulation zu mehreren Stunden Berechnungszeit auf einem Multiprozessorsystem führen kann.

Validierung und Überprüfung

Die Überprüfung und Validierung des Ansatzes wurden sowohl anhand theoretischer Überlegungen als auch experimenteller Untersuchungen bewertet.

Werden einfache Geometrien betrachtet, kann die Übertragung der Strahlungswärme zwischen Glühfaden, Birne und Leuchtenkörper mithilfe des Stephan-Boltzmann-Gesetzes zusammen mit der Energieerhaltung direkt berechnet werden. Dieser Ansatz zeigt den perfekten Ausgleich zwischen den numerischen und theoretischen Ergebnissen. Selbst bei der Betrachtung einer sehr komplexen Leuchtenkonfiguration in der Außenluft wird die Energiebilanz zwischen der vom Leuchtfaden abgegebenen Leistung und der vom System abgehenden Leistung durch das numerische Modell gut erfasst.

Zur gründlichen Validierung der Methodik wurde ein kubischer Leuchtenprototyp betrachtet und mit thermischen Infrarotkamerabildern und Thermoelementen experimentell untersucht. Die numerischen Simulationen des kubischen Gehäuses in Außenluft zeigten die Übereinstimmung mit den experimentellen Messungen bei einem Gesamtfehler von weniger als 5 % am Gehäusekörper deutlich auf. Diese Vergleiche sind erforderlich, um die wichtigen physikalischen Parameter des Modells wie die Koeffizienten für Emissivität, Reflexionsvermögen und Transmissivität bei verschiedenen Oberflächen korrekt zu kalibrieren, oder um den Koeffizienten für die Wärmeübertragung an der äußeren Grenzfläche der Leuchte exakt zu berechnen.

Weitergehende Fragen

Gründliche Untersuchungen der oben beschriebenen Art ergaben die sichere Anwendbarkeit dieser numerischen Methode auf zunehmend komplexere (und zunehmend realistischere) Geometrien. Jedoch muss die sekundäre, aber dennoch wichtige Frage der Belüftung der Leuchte und der natürlichen Konvektion, wie durch den sogenannten „Test im belüfteten Ofen“ hervorgehoben, ebenfalls betrachtet werden. Eine weitere wichtige Frage besteht im Fall der offenen Lampen, in denen die mit der natürlichen Konvektion verbundene Wärmeübertragung das thermische Feld insgesamt beträchtlich beeinflusst.

Darüber hinaus sind instationäre Simulationen bei komplexen Leuchten mit Mulitbirnen unerlässlich. Hierbei werden die Tests durchgeführt, indem verschiedene Leuchten zu unterschiedlich geplanten Zeitpunkten ein- und ausgeschaltet werden. Die Anwendung einer instationären Standardsimulation würde derzeit eine sehr große Menge an Berechnungsresourcen erfordern.

Ein intelligentes Alternieren der Gleichungslöser für Energie und Strömung führt (durch die Optionen „Eingefrorener Fluss“ und „ Eingefrorene Energie“) zu einer dramatischen Reduzierung der CPU-Zeit, wodurch diese scheinbar nicht machbare Simulation unter Verwendung der verfügbaren Computerressourcen ermöglicht wird.

Fazit

Diese neue CFD-Methodik auf Grundlage von STAR-CCM+ für die thermomechanische Simulation optischer Geräte hat sich als robust und leistungsfähig erwiesen, und hat zum Design ästhetisch ansprechender thermomechanischer Leuchten mit dauerhaft hochwertiger Leistung bei jeder Witterung beigetragen.

Darüber hinaus ermöglichte die Anwendung der Simulationen in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses eine deutliche Reduzierung der physikalischen Tests, die erforderlich sind, um die Produkte auf den Markt zu bringen.

Fakten

Die Scheinwerfer gehören zu den am meisten regulierten Systemen eines Fahrzeugs. Die ersten Fahrzeugscheinwerfer wurden in den 1880er Jahren offiziell eingeführt und basierten, ähnlich den alten Gasleuchten, auf Acetylen und Öl. Der erste elektrische Scheinwerfer wurde 1898 von der Electric Vehicle Company mit Sitz in Hartford, CT, hergestellt. Bis 1975 mussten alle amerikanischen Scheinwerfer aus runden, halogenfreien und DOT-zugelassenen versiegelten Strahlungseinheiten mit zwei großen Dualbirnen oder vier kleinen, einfachen Strahlungsbirnen bestehen, die für stilvolle Scheinwerfer keinen Raum ließen. (hö)

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