Simulation des konjugierten Wärmeübergangs auf Basis von Fast Fluid Dynamics

Die Bestimmung des Wärmeübergangs von der Raumluft auf Raumbegrenzungsflächen ist zentral für die Vorhersage von Bauteiloberflächentemperaturen und Wärmeströmen durch Außenbauteile. In dynamischen Gebäude‐ und Bauteilsimulationen wird der konvektive Wärmeübergang häufig nur vereinfacht beschrieben, da aufgrund des hohen Rechenaufwands meist auf eine explizite Strömungslösung verzichtet wird. Der Fast‐Fluid‐Dynamics‐(FFD‐)Algorithmus, der ursprünglich für eine schnelle Strömungsvisualisierung entwickelt wurde, zeigt Potenzial für eine schnellere und detailliertere Simulation. In dieser Studie wird das Potenzial der Anwendung des FFD‐Algorithmus zur Bestimmung des konjugierten Wärmeübergangs untersucht. Eine partitionierte Fluid‐Festkörper‐Methode wird vorgestellt, die das FFD‐Modell mit der transienten Wärmeleitung in Bauteilen koppelt. Die Ergebnisse zeigen eine erfolgreiche Kopplung ohne Stabilitätsprobleme. Im Vergleich zur numerischen Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) ist die neue Methode über 25‐mal schneller und zeigt eine angemessene Genauigkeit. Weitere Beschleunigung ist durch Optimierungen des Lösers für die Wärmeleitung im Festkörper zu erwarten. Insgesamt weist der FFD‐Algorithmus ein großes Potenzial für Simulationen beim konjugierten Wärmeübergang auf.

The determination of heat transfer from room air to interior surfaces is essential for predicting component surface temperatures and heat fluxes through external building elements. In dynamic building and hygrothermal component simulations, convective heat transfer is often described only in a simplified manner, since an explicit airflow simulation is usually omitted due to the high computational effort. The Fast Fluid Dynamics (FFD) algorithm, which was originally developed for rapid flow visualization, shows potential for faster and more detailed simulation. This study investigates the potential of applying the FFD algorithm to determine conjugate heat transfer. A partitioned fluid‐solid method is presented that couples the FFD model with transient heat conduction in building components. The results demonstrate successful coupling without stability problems. Compared with Computational Fluid Dynamics (CFD), the new method is more than 25 times faster and shows adequate accuracy. Further acceleration can be expected through optimization of the solver for heat conduction in the solid. Overall, the FFD algorithm shows great potential for simulations of conjugate heat transfer.