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TRANSIENT NUMERICAL COMPUTATION OF THE TEMPERATURE OF THE ELECTRONIC EQUIPMENT IN PASSENGER CARS
Kurzbeschreibung
Um einen sicheren Betrieb der elektronischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu
gewährleisten, wird deren thermische Situation in jeder digitalen Phase des
Entwicklungsprozesses bewertet. Die Betriebsbedingungen eines Fahrzeugs und der
Komponenten werden mit einem sogenannten Lastfall definiert. Übliche Lastfälle setzen sich
zusammen aus einer Vorkonditionierungsphase mit Warmfahren und einer anschließenden
Belastungsphase, z.B. Bergfahrt mit Anhänger. Im Entwicklungsprozess ist es besonders
interessant, für einen bestimmten Lastfall den Zeitraum zu prognostizieren, in dem das
elektronische System im Fahrzeug innerhalb seines optimalen Temperaturbereichs arbeitet,
um einen Vergleich mit den Anforderungen der Lastenhefte von Komponente und Fahrzeug
zu bekommen. Wenn nötig kann die Einbausituation des elektronischen Systems im Laufe der
Entwicklungsphasen optimiert werden, um den Betriebszeitraum zu vergrößern. In der
vorliegenden Arbeit wurden Berechnungsmethoden und numerische Modelle entwickelt und
validiert, um die Temperatur der elektronischen Komponenten im Fahrzeug unter
zeitabhängigen Betriebsbedingungen und thermischen Lasten zu ermitteln. Dabei richtet sich
der Fokus auf die elektronischen Komponenten in Fahrzeugen mit konventionellem Antrieb
(Verbrennungsmotor), die in einem engen Temperaturbereich arbeiten und durch eine
signifikante Wärmeabgabe oder eine kritische Einbaulage im Fahrzeug charakterisiert sind.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit werden darüber hinaus inzwischen auch als
Grundlage für die thermische Absicherung der kommenden hybridisierten und elektrischen
Fahrzeuge verwendet.
Nach dem aktuellen Stand der Literatur gibt es zur Zeit noch kein numerisches Verfahren zur
Berechnung der Temperatur elektronischer Komponenten in einem komplexen
Fahrzeugumfeld. Außerdem sind die in der Literatur beschriebenen Methoden zur Auflösung
der gekoppelten Wärmeübergangsmechanismen – Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung
– auf stationäre Randbedingungen beschränkt.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit werden numerische Strategien für die instationäre
Berechnung der verschiedenen Wärmeübergangsmechanismen mit einer Systemanalyse
untersucht. Für die Auslegung des Berechnungssystems werden die relevanten Zeitskalen für
die Temperaturberechnung elektronischen Komponenten im Fahrzeug benötigt. Diese werden
über die Analyse der dimensionslosen Transportgleichungen für den Wärmetransport im Fluid
(über Konvektion) bzw. im Solid (über Wärmeleitung) ermittelt. Die entsprechende
charakteristische Zeit wird sowohl für die geometrische Dimension einer elektronischen
Komponente als auch der des Bauraums im Fahrzeug berechnet. Um näherungsweise mit
ähnlichen charakteristische Zeiten zu arbeiten, wird sich das Berechnungssystem in der
geometrische Dimension der elektronische Komponenten auf die Chip- und Komponente-
Ebene und beim Bauraum auf die nähe Umgebung der elektronische Komponente beschränkt.
Dennoch sind unterschiedlich große Zeitschritte bei der Berechnung der Konvektion und
Wärmeleitung notwendig. Somit werden Konvektion und Wärmeleitung mit geeigneten
Programmen und mit Hilfe von iterativen Kopplungsstrategien getrennt gelöst. Zusätzlich
lässt die Kopplungsstrategie verschiedene Detaillierungsgrade in den einzelnen numerischen
Modellen zu. Zur Erreichung akzeptabler Rechenzeiten im Entwicklungsprozess wird das
Geschwindigkeitsfeld der Konvektionsströmung stationär behandelt. Abhängig von den
konvektiven Randbedingungen werden zwei iterative Kopplungsstrategien vorgeschlagen.
Anschließend werden kurz mögliche Versuchsanordnungen für Validierungsmessungen unter
Labor- und Real-Bedingungen beschrieben.
Im zweiten Teil werden numerische Modelle zur Berechnung des konvektiven
Wärmeübergangs anhand von Testfällen untersucht, insbesondere im Hinblick auf
Turbulenzmodellierung und Netzanforderung, und mit Vergleichsfällen aus der Literatur
validiert. Zuerst wird die Genauigkeit des stationären Geschwindigkeitsansatzes zur
Ermittlung der Wärmeübertragung für den Fall der natürlichen Konvektion in elektronischen
Systemen ohne aktive Kühlung überprüft. Danach werden numerische Modelle zur
Berechnung der vom Lüfter erzwungenen Konvektionsströmung und der Strömung durch
dünne Lochbleche untersucht und mit Messungen sowie Literaturangaben verglichen. Als
Kriterien zur Validierung der numerischen Modelle dienen der vom Lüfter erzeugte
Volumenstrom sowie die Druckverteilung in der elektronischen Komponente im
Einbauzustand.
Im dritten Teil werden die Kopplungsstrategien anhand zweier komplexer elektronischer
Systeme validiert, zum einen für eine konventionelle Batterie, eingebaut in die
Ersatzradmulde (im Fahrzeugheck), zum zweiten für einen Soundverstärker, eingebaut im
Freiraum zwischen Stirnwand (Trennwand zum Motorraum) und Bodenbelag des
Beifahrerfußraums. Zuerst werden die kritischen Komponenten, die thermischen
Anforderungen und der relevante Lastfall spezifiziert. Im ersten Schritt werden zur Bedatung
des numerischen Modells des elektronischen Systems als Randbedingungen direkt
Wärmeflüsse aufgebracht, welche aus Messungen ermittelt wurden. Im zweiten Schritt
werden die vorgeschlagenen Kopplungsstrategien auf das bedatete Modell des elektronischen
Systems angewandt, wobei nun die konvektiven Wärmeflüsse mit Hilfe der
Strömungssimulation ermittelt werden. Die Ergebnisse dieser gekoppelten Simulation werden
durch Vergleich mit Gesamtfahrzeugsmessungen validiert. Schließlich werden die Effizienz
und Zuverlässigkeit beider Kopplungsstrategien für eine Implementierung im digitalen
Entwicklungsprozess diskutiert.
Description
The present study deals with the computation of the temperature of automotive electronic systems submitted to time-dependent thermal loads. In order to ensure a reliable operation of electronic devices in a passenger car, it is of particular importance to predict the operating time period of the system at each phase of the development process. In this respect, several innovative coupling codes strategies have been proposed according to the convective boundary conditions for the computation of the different heat transfer modes and validated.
Stichwörter
Stichwörter: thermische Absicherung, elektronische Systeme, instationäre Berechnung, Codekopplungsstrategien, natürliche Konvektion, Wärmeleitung, Strahlung, vom Lüfter erzwungene Konvektion, dünnes elektronisches Lochblech, konventionelle Batterie, Soundverstärker.
Keywords
Keywords: thermal management, electronic devices, transient computation, co-simulation, natural convection, conduction, radiation, fan flow, thin electronic grill, lead-acid battery, sound amplifier.
Reviews
Rapport sur le manuscrit de
Florence MICHEL,
intitulé:
« Transient Numerical Computation of the temperature of the electronic equipment in passenger
cars»
en vue de la soutenance d'une thèse de doctorat de l'Université de Valenciennes
Spécialité: Mécanique - Energétique
Rapporteur: Mourad REBAY
Le mémoire de Florence MICHEL est consacré au problème de la gestion thermique de
l’électronique par des codes de simulation du transfert de chaleur entre un fluide en écoulement et
une structure solide et ce, en régime stationnaire ou instationnaire. Ce type de situation, qu'on
rencontre aussi dans de nombreuses applications comme l’automobile ou l’aéronautique et l’espace
(problème de tenue de matériaux dans des conditions thermiques et mécaniques « dures »),
nécessite de résoudre simultanément des codes généralement différents associés d'une part au calcul
de l'écoulement et à la résolution de l'équation de l'énergie dans le fluide et d'autre part aux
équations de l'énergie dans le solide et de rayonnement à sa surface. Ceci nécessite de coupler ces
codes par des conditions d'interface, en s'assurant que les codes convergent vers la bonne solution et
ce, pour des temps de calcul raisonnables. C'est cette problématique, appelée également étude des
transferts convectifs-conductifs-radiatifs « conjugués », qui fait l'objet de ce travail traduisant une
collaboration entre le centre Daimler AG et le Laboratoire de Mécanique et Énergétique de
l'Université de Valenciennes. L’étude, comportant une composante numérique forte, se concentre
sur des systèmes électroniques assemblés dans des véhicules.
Ce document de 186 pages, rédigé en anglais, est constitué de 6 chapitres, 7 annexes et une liste de
plus de 170 références. Les chapitres sont précédés d'une table des matières et nomenclature et
suivis d'une conclusion, qui constitue le chapitre 7.
Le chapitre 1 constitue une introduction de la thèse, il précise les motivations industrielles et la
place de la gestion thermique de l’électronique dans les procédés de développement numérique dans
le domaine de l’automobile. La revue bibliographique sur les études des problèmes de transferts
conjugués, du couplage de codes de calcul numériques et également sur les stratégies de
refroidissement dans l’électronique de l’automobile est présentée dans le chapitre 2. Ces chapitres
sont fort bien rédigés, même si le lecteur peut regretter que l’auteur ne se concentre que sur le coté
numérique et s’intéresse peu aux études expérimentales. De telles études, pourraient pointer les
difficultés de mesure des grandeurs dynamiques et thermiques dans le domaine de l’électronique, là
où des interactions peuvent avoir lieu entre les champs électriques et magnétiques des composants
électroniques et les capteurs classiques.
Le chapitre 3 décrit la méthode numérique développée pour résoudre le problème de couplage.
L’auteur présente tout d'abord les temps caractéristiques du phénomène thermique selon le mode de
transfert mis en jeu : convection naturelle, convection forcée ou conduction, et ce au niveau du
composant électronique lui-même ou au niveau du compartiment qui le contient. Un schéma
représentant la géométrie et les dimensions typiques étudiées avec le composant modélisé aurait
apporté plus de clarté au manuscrit, d’autant plus que l’auteur utilise des longueurs caractéristiques
du composant différentes pour la convection naturelle et la convection forcée. En ce qui concerne la
convection forcée au niveau du composant, un diamètre hydraulique pour définir le nombre de
Reynolds ne me parait pas un bon choix de la longueur caractéristique, puisque les composants
étudiés plus loin sont parallélépipédiques et l’écoulement est externe. L’auteur renvoie à des
références bibliographiques et ne donne pas plus de détails pour la définition du temps
caractéristique, ce paramètre est fort important pour le choix par la suite du pas de temps pour le
régime transitoire ou pour l’échange de données entre les logiciels. L’auteur conclue à la validité
des équations classiques de Naviers Stockes et de Fourier aux échelles de temps trouvées et à la
nécessité de calcul du champ thermique dans le fluide et dans le solide avec différents pas de temps.
Les transferts de chaleur par conduction et convection sont calculés séparément avec des codes
adaptés s’intégrant dans une stratégie de couplage.
Florence MICHEL présente ensuite les codes de résolution et algorithmes de couplage
correspondant aux conditions de raccord entre les trois types de transferts définis plus haut. Pour le
solide, c'est un code aux éléments finis (PERMAS) en 3D qui est utilisé pour calculer le champ de
température dans le solide, et en particulier la température (Ts) à l’interface solide-fluide. Le
logiciel STAR-CD, basé sur une discrétisation des équations de la convection par volumes finis,
utilise cette température pour calculer le champ thermique dans le fluide. Le logiciel POSRAD
utilise lui aussi cette température pour résoudre le problème de rayonnement entre la paroi
considérée et les autres surfaces qui l’entourent. Ce qui permet de résoudre les problèmes de
convection et rayonnement et de calculer de nouveau la température pariétale et d’évaluer les flux
convectifs et radiatifs. Ces méthodes de couplage font donc intervenir des itérations, qu'on est tenté
de qualifier de pseudo-temps. L’auteur ne précise pas le domaine d’application d’un 4ème logiciel
décrit (RadTherm). Ce code, permet de résoudre le problème conjugué conduction-rayonnement,
mais utilise un schéma de différences finies de Crank-Nicholson pour résoudre l’équation de la
chaleur (1D) dans le solide. Cela laisse supposer que ce code est utilisé en remplacement de
POSRAD et PERMAS afin de gagner du temps de résolution quand la géométrie et dimensions du
solide permettent de considérer le problème en 1D.
Les trois problèmes conjugués sont donc résolus de façon alternée, par le calcul intermédiaire des
flux (ou coefficients d’échange) et températures pariétaux, jusqu'à leur quasi-égalité entre deux
itérations successives, condition correspondant à la convergence de l'algorithme. On peut se
demander si ce critère est suffisant et s'il n'est pas nécessaire d'ajouter ici une condition sur légalité
des flux et température de part et d’autre de l’interface, coté solide et coté fluide.
Le chapitre 4, constitué de 5 pages, expose les différents moyens expérimentaux qui ont été utilisés
dans les conditions de laboratoire ou directement dans le véhicule pour déterminer la performance
des ventilateurs employés, la chute de pression à travers la grille du cache du compartiment, et les
résistances thermiques des différentes couches constituant le composant électronique. Dans le
véhicule, les paramètres les plus importants à déterminer sont les températures locales (mesurées
par thermocouples) et le débit de renouvellement d’air, ainsi que la direction de l’écoulement. Le
lecteur aurait apprécié en fin de chapitre voir un approfondissement de la méthode de détermination
des résistances thermiques des différentes couches du circuit intégré (puce, packaging, graisse
thermique ….) d’autant plus, que d’après l’auteur, ces résistances sont déterminées à partir d’une
réponse à un échelon de flux, c’est qui est curieux compte tenu du fait que les résistances sont
définies en régime permanent.
Le chapitre 5 est consacré à la validation des modèles numériques utilisés dans le code STAR-CD
pour traiter l’écoulement du fluide et le transfert de chaleur par convection.
L’auteur teste dans un premier temps différents modèles de turbulence pour résoudre le problème de
convection naturelle en régime instationnaire inhérent à un échauffement brusque de l’une des
parois d’une cavité parallélépipédique. Après comparaison, il retient un modèle classique k-e. On
peut regretter ici qu'il n'y ait pas dans le manuscrit de justification quantitative de ce choix, par des
calculs d’écarts ou en présentant des graphes. En outre, l’auteur valide la résolution numérique par
une comparaison des résultats de son algorithme avec des résultats de la littérature en régime
stationnaire. Il aurait été ici plus efficace de valider le modèle retenu en régime transitoire. Florence
MICHEL teste deux conditions aux limites : une thermique (cavité différentiellement chauffée) et
une autre mécanique (paroi mobile), elle retient cette dernière car elle lui permet d’avoir le même
nombre de rouleaux de convection que ceux annoncés dans la littérature pour une cavité
différentiellement chauffée.
Pour le problème de convection forcée, l’auteur fait l’hypothèse d’un écoulement non
thermodépendant, ce qui justifié ici vu la plage des températures utilisées et le fluide de travail
(l’air). Il valide ensuite ses modèles en mécanique des fluides en étudiant d’une façon méthodique
et détaillée l’écoulement à travers la grille du compartiment contenant les composants électroniques
ainsi que l’écoulement généré par le ventilateur. Deux modèles numériques du ventilateur ont été
testés. Aussi, une étude de l’influence de la taille des mailles en proche paroi a été conduite. Deux
ventilateurs (pour un amplificateur de son et un démodulateur TV) on été testés expérimentalement,
permettant ainsi à l’auteur de choisir le modèle « rotational body force », qu’il juge adéquat pour les
ventilateurs testés. La comparaison numérique-expérience a porté sur la distribution de la pression
statique et le débit volumique généré par le ventilateur. L’écoulement à travers la grille du
compartiment électronique a été validé expérimentalement et également par comparaison avec les
résultats de la littérature Ces études ont permis à l’auteur de déterminer les champs de vitesses et de
pression dans le compartiment. Cette partie, fort bien rédigée et argumentée, constitue une partie
conséquente de la thèse et une bonne base pour résoudre le problème thermique dans la suite du
travail.
Le chapitre 6 est focalisé sur la mise en oeuvre des techniques de couplage développées
précédemment en comparant les sorties du code aux résultats expérimentaux dans deux
applications.
La première application concerne la modélisation d’une batterie placée dans le coffre de la roue de
secours, à l’arrière du véhicule, dans deux conditions d’utilisation : été et hiver. L’auteur couple
deux codes : STAR-CD pour la convection naturelle et RadTherm pour le rayonnement et
conduction. Les données de mesures de la température ambiante dans le compartiment et de la
puissance de charge, obtenues en régime instationnaire (suite à la mise en marche du moteur), ont
servi comme conditions aux limites pour la modélisation. L'auteur fait ici 1 'hypothèse, mais sans la
justifier par le calcul des temps caractéristiques, d'un régime instationnaire fluide qu'on peut
qualifier de «glissant ». Ce qui consiste à considérer que le fluide se met instantanément à
l'équilibre avec la condition de raccord transmise par le solide, et permet de résoudre ainsi le
problème de convection naturelle en régime stationnaire pour chaque pas de temps. En comparant
les évolutions temporelles numériques et expérimentales des températures dans les cellules de la
batterie et le compartiment, l’auteur conclue à la validité des modèles dans les conditions hivernales
(Tamb = -10°C) mais pas estivales (Tamb = 25°C). Compte tenu des incertitudes de mesure des
températures annoncées par l’auteur (DT = 2,5K), il me parait difficile de tirer une conclusion quant
l’évolution dans le temps des températures mesurées (figures A 7 2 et A 7 3). Les sensibilités du
modèle au pas de temps et au critère de convergence sont données sur la figure 6.6. Il est curieux de
remarquer que les sensibilités ont les mêmes évolutions dans le temps. Il aurait été intéressant de
compléter cette partie par une étude de la stabilité de la procédure numérique appliquée en fonction
du modèle de turbulence, et de justifier ainsi le choix du modèle k-e bas Reynolds retenu.
La deuxième partie de ce chapitre correspond à une simulation du refroidissement d'un
compartiment qui contient une carte électronique (amplificateur de son), située dans le véhicule.
Dans un premier temps, les résistances thermiques des circuits intégrés ont été mesurées dans une
chambre climatique. Là aussi, les résultats de la simulation numérique ont été validés par des
mesures expérimentales obtenues à l’aide de thermocouples et par thermographie InfraRouge.
L’auteur a également comparé les résultats de simulation des transferts couplés conductionrayonnement
par RadTherm à ceux obtenus par PERMAS/POSRAD. Il trouve un bon accord entre
les algorithmes, et tire la conclusion qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser la combinaison
PERMAS/POSRAD dans le cas d’un matériau thermiquement mince, tel que le cache du
compartiment qui contient l’amplificateur.
La stratégie de couplage développée dans la thèse trouve toute son application dans ce chapitre. Elle
illustre bien l'impérieuse nécessité de calculer non seulement le champ de température dans le fluide
mais aussi dans la structure solide.
Le 7ème chapitre est constitué par une conclusion générale (3 pages) qui récapitule le travail
effectué. L'auteur y évoque en outre des pistes d'amélioration essentiellement numériques.
Ce document est assez bien écrit, avec des conclusions partielles en fin de chaque chapitre d’une
grande utilité, même si on peut regretter le renvoie en annexes pour la plupart des résultats et
courbes commentés. L’auteur a eu le mérite de l’avoir entièrement rédigé en anglais. On sent,
surtout dans les deux derniers chapitres, un souci évident de pédagogie. En ce qui concerne la mise
en oeuvre des modèles et techniques de couplages développés par des simulations, il est à porter au
crédit de l'auteur la comparaison de ses simulations avec des mesures.
En conclusion, le mémoire de Florence MICHEL traduit des compétences manifestes et un travail
important dans les domaines de la simulation numérique en convection, rayonnement et conduction
thermique, domaine dont les applications industrielles sont tangibles, notamment dans l'électronique
de l’automobile. C'est pour toutes ces raisons que j'émets un avis favorable à ce qu'elle soutienne sa
thèse de doctorat de l'Université de Valenciennes.
A Reims, le 26/08/2009
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Review of the Doctoral Thesis
„Transient Numerical Computation of the Temperature of the
Electronic Equipment in Passenger Cars“
by
Florence M i c h e l
During the design process of a passenger car the thermal management must ensure the temperature control and transport of heat such that all components remain within the allowable limits under various operating conditions. As investigation methods and design tools laboratory experiments as well as methods of numerical simulation are used today. In the present investigation the focus is on the reliability and performance of the electronic equipment. Of particular interest in the development process is to predict the operating time period of an electronic system embedded in the vehicle for a specific use case, so that the assembly of the electronic system can be optimized.
Heat is transported in solids by conduction and in the open space between solid structure by convection and radiation. Therefore, to determine the temperature of the electronic equipment, which is the aim of the presnt work, these processes must be simulated. Physically, a multi-scale multi-physics problem must be modelled consistently. From the mathematical point of view, a system of coupled unsteady partial differential equations have to be intergated in time under prescribed thermal and mechanical boundary conditions. From the standpoint of software technology the different methods, which are available to simulate these specific tasks separately, have to be coupled efficiently using program-to–program interfaces. Moreover, the coupled system has to be validated by comparison to laboratory experiments.
This complex and challenging task has been tackled by Frau Florence Michel in her submitted thesis. She presents a comprehensive and systematic study of transient numerical simulation methods for the computation of thermal conditions of heat producing electronic equipment in a passenger car. As her work has been performed at the Daimler AG in Sindelfingen, Germany, she naturally uses Mercedes-type examples and test objects for her studies. The investigations were carried out in an industrial environment and therefore benefit substantially from practical discussions in her working group. The aim of the study is to contribute to the further understanding of coupled, transient simulation methods and their benefit for passenger car design. Furthermode, useful strategies and methods in the field of thermal management in passenger cars were developed and tested.
Electronic devices in a passenger car, which act as heat sources, are the battery, telematic devices, the audio tuner and the monitor, the sound amplifier, and cameras. Some of these devices are encapsulated in small compartementes with air outlets. They are surrounded by the engine, the exhaust pipes, the transmission and the air conditioner. The heat sink is mainly the environment. Heat is transported by conduction, radiation and forced, free or mixed convection from the sources to the envorinment. The flow is either in a turbulent state or in the state of laminar-turbulent transtion, in which large secondary vorticle flow structures occur. The coupled thermal analysis of heat trasport in the fluid and in the solid is denoted as conjugate heat transfer.
In her literature study the author gives an overview on the state of computational method as they are used in the digital development process. She emphasized three-dimensional methods such as methods of computational fluid dynamics, boundary-element methods for radiation heat transfer and finite-element methods for heat connduction in the solids. A critical issue is the flow is turbulence modelling or, if the flow is transitional, the correct simulation of the respective flow structures. Frau Michel comes to the conclusion that no numerical method to predict the temperature of an electronic system embedded in a complex environment exists. The computational coupling strategies to compute transient solid temperatures in a passenger car are merely focussed on the contribution of electronic systems in the thermal management of the whole car instead of the electronic system. Therefore, a reliable strategy must be developed for the systematic thermal prediction of electronic systems.
In such complex systems all heat paths, geometric scales, and heat transfer time scales cannot be resolved simultaneously. Therefore a numerical strategy must be focussed on the most important processes, taking account the industrial requirements. The strategy is therefore based on existing numerical tools, which are used in the industry for each heat transfer mode. These tools will then be combined into a transient coupled method. As a central element of this coupling a time-step must be defined, which is representative of the temperature propagation in the important scales. Therefore, characteristic time scales of the the different modes of heat transfer are examined separately for mixed and natural convection, conduction, and radiation. For this, characteristic data of existing automotive components are taken as a basis. It is concluded, that the smallest time step is found in the natural convective turbulent flows in an enclosure and the largest for diffusive conduction in a solid.
As a basis for her mathematical analysis Frau Michel presents the three-dimensional basic differential equations of heat transfer in solids, by a laminar or turbulent flow, and by radiation. These equations are very different in terms of their mathematical properties and require different solution methods, such as the finite-element method, the finite volume method and the boundary-element method. Separate computer programs for their solution exist. But in particular the flow solver requires detailed knowledge about fluid dynamic processes in a wide range of flow parameters such as e.g. the Rayleigh number. It can only be applied successfully to a complex three-dimensional flow situation when the user makes the right decision about the turbulence model, the wall treatment and generates a suitable numerical grid. In this regard a fluid solver is much more demanding in terms of user knowledge compared to conduction and radiation solvers. Frau Michel is aware of this and therefore performs a detaild validation for the flow solver, in which she gains the necessary experience to ensure the physical correct solutions. The various codes are tested and demonstrated for automotive components.
Transient coupling is performed between the thermal radiation transport analysis program RadTherm and the flow simulation programs STAR-CD. A second coupling scheme is presented between the transient conduction computation program PERMAS and STAR-CD. Iterative coupling methods are proposed, which use the different adapted codes for the prediction of each heat transfer mode. To match the boundary conditions at the interface a mesh mapping tool is introduced. Two coupling methods are realized, a discrete parallel coupling strategy and a serial staggered strategy. The coupled systems must, of course, be validated.
Due to the importance of the flow solver Frau Michel performs a detailed validation of the convective heat transfer prediction with focus on buoyancy-driven flows. The numerical model is adapted to the geometrical and boundary conditions of a very detailed experiment on natural convection in an inclined rectangular box. Transitional states with oscillating flow behaviour are considered at Reayleigh numbers up to 7 x 104. Good agreement is achieved. Other flow examples used for validation are the forced convection flow induced by a fan and the outlet grill of a TV-tuner.
In chapter 6 the coupled methods are applied to practical cases in order to demonstrate the benefit for the industrial design and optimization process.
Evaluation:
The submitted thesis demonstrates various new insights and achievemets in the field of thermal engineering. Frau Michel has devloped and documented new foundations of coupled methods to predict the temperature of electronic equipment. Her work is embedded in an excellent scientific description of many relevant physical phenomena and computational issues, that can also be found in the open literaure. Furthermore, Frau Michel has proven her detailed knowledge on computaional methods for the various modes of heat transfer, which she used for the realization of the coupling. In all her work she emphasized the critical evaulation of the numerical results by comparison to experiments. The performed application exaples demonstrate in an impressive way the practical value of her coupled method for the computation of the temperature of electronic equipment in passenger cars.
Frau Michel has demonstrated her ability to perform scientific studies based on her own concepts and ideas. Therefore I am very favourable that the candidate exposes her results to obtain a Ph.D. I strongly recommend to accept the submitted thesis as a doctoral dissertation.
Stuttgart, July 2, 2009
Prof. Dr.- Ing. habil. E. Laurien
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