numerische simulation des bratenvorgangs eines steaks mit feht sebastian degener und maike sievers...
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Numerische Simulation des Bratenvorgangs eines Steaks mit
FEHT
Sebastian Degener und Maike Sievers19.09.2012
Problemstellung Vorstellung Programm FEHT Modellannahmen 2D Berechnung 1D Berechnung Veränderung der Zeiten t1 und t2
Zusammenfassung
Übersicht
Sebastian Degener und Maike Sievers
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Numerische Simulation eines Steaks
Wie lange braucht ein Steak unter unterschiedlichen Randbedingungen bis es gar ist? in der Küche draußen beim Grillen
Temperaturen sollen in der Mitte des Steaks nicht zu lang über 70°C liegen
Untersuchung der Wärmeleitung innerhalb eines Steaks
Problemstellung
Sebastian Degener und Maike Sievers
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Numerische Simulation eines Steaks
Finite Element Heat Transfer Mögliche Anwendungen
Heat Transfer Extended Surfaces Electric Currents Electrostatics Magnetostatics Bio- Heat Transfer Potential Flow Porous Media Flow
Vorstellung Programm FEHT
Sebastian Degener und Maike Sievers
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Numerische Simulation eines Steaks
Fourier‘sche Differentialgleichung 2D
Vorstellung Programm FEHT
Sebastian Degener und Maike Sievers
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Numerische Simulation eines Steaks
0
t
Tc
y
T
yx
T
x p
y
T
x
TT
A
tVQVTcTmcQ Vpp
TTt
T
a
21
[m²/s]eit leitfähigkTemperatur:a
[W/m²] dichteWärmestrom: q
[W] strom-/Wärmefluss:Q
[J] e)Wärme(meng:Q
K][kJ/kgfähigkeit Wärmeleitspez.:
[kg/m³] Dichte:
[W/m³] endichteWärmequell:
K][W/mähigkeit Wärmeleitf:
p
p
c
c
Vy
q
x
qVqQ yx
V
Fourier`sches Gesetz
Partielle DGL 2. Ord. (parabolisch)
1. Problemdefinition Auswahl der Problemstellung und der
Dimensionen Zeichnung des Modells, Vorgabe des Gitters Angabe der Materialeigenschaften und der
Anfangs- und Randbedingungen
Vorstellung Programm FEHT
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Numerische Simulation eines Steaks
2. Simulation/Berechnung Auswahl des Verfahrens
Crank- Nicolson Verfahren Implizites Euler Verfahren
Angabe der Start- und Endzeit sowie der Schrittweite
Vorstellung Programm FEHT
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Numerische Simulation eines Steaks
Euler Vorwärts- Verfahren
Euler Rückwärts- Verfahren
Crank- Nicolson Verfahren
Berechnungsverfahren
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Numerische Simulation eines Steaks
2
21
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x
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t
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1
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ni
ni
3. Darstellung der Lösung Potenzial (z. B. Temperatur) Potenzial-Gradient Temperatur über Zeit Wärmestrom über Zeit
Vorstellung Programm FEHT
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Numerische Simulation eines Steaks
Parameter Dichte 1060 kg/m³ Spez. Wärmekapazität 3820 J/(kg ∙ K) bzw.
2140 J/(kg ∙ K) Wärmeleitfähigkeit 0,488 W/(m ∙ K) Temperaturen
Luft 20°C bzw. 10°C Bratpfanne 160°C Eigentemperatur 15°C
Modell
Sebastian Degener und Maike Sievers
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Numerische Simulation eines Steaks
Rahmenbedingungen
Modell
Sebastian Degener und Maike Sievers
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Numerische Simulation eines Steaks
Steak2 cm
20/10 °C
160 °C
20/10 °C oder adiabat
20/10 °C oder adiabat
15 °C
Ergebniszusammenfassung Crank- Nicolson/ Euler Spez. Wärmekapazität 3820 J/(kg ∙ K) 20°C Zimmertemperatur Zeitschritt: 1Sekunde t1 = 525s t1 + t2 = 605s
2D Berechnung
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturverteilung
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturen vor dem Drehen
Temperaturen im Endzustand
Zeitlicher Temperaturverlauf
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturverteilung (cp=3820J/(kg ∙ K), ϑamb=20°C)
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturen zu Beginn (t = 0s)
Temperaturen vor dem Drehen (t = 525s)
Temperaturverteilung (cp=3820J/(kg ∙ K), ϑamb=20°C)
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturen kurz nach dem Drehen (t = 533s)
Temperaturen im Endzustand (t = 605s)
Ergebniszusammenfassung Crank- Nicolson/ Euler Spez. Wärmekapazität 3820 J/(kg ∙ K) 10°C Außentemperatur Zeitschritt: 1Sekunde t1= 600s t1+ t2 = 665s
2D Berechnung
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturverteilung
Sebastian Degener und Maike Sievers
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturen vor dem Drehen
Temperaturen im Endzustand
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Numerische Simulation eines Steaks
Zeitlicher Temperaturverlauf
Temperaturverteilung (cp=3820J/(kg ∙ K), ϑamb=10°C)
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturen vor dem Drehen (t = 600s)
Temperaturen im Endzustand (t = 665s)
Erwärmung nur für eine Seite darstellbar Nur Angabe der Temperatur des Steaks
und der Bratpfanne möglich Wärmeübergang nur an einer Seite
1D Berechnung
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Numerische Simulation eines Steaks
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Numerische Simulation eines Steaks
1D Berechnung (cp-Wert = 3820 J/(kg ∙ K))
2D Berechnung 20°C
Zimmertemperatur t1 = 525s t1+ t2 = 605s
10°C Außentemperatur t1 = 600s t1+ t2 = 665s Sebastian Degener und Maike
Sievers
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Numerische Simulation eines Steaks
1D Berechnung t1 = 600s
Ergebnisvergleich (cp-Wert = 3820 J/(kg ∙ K))
2D Berechnung 20°C
Zimmertemperatur t1 = 294s t1+ t2 = 339s
10°C Außentemperatur t1 = 337s t1+ t2 = 385s
Ergebnisvergleich (cp-Wert = 2140 J/(kg ∙ K))
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Numerische Simulation eines Steaks
1D Berechnung t1 = 330s
Starke Asymmetrie der jeweiligen Bratzeit für beide Steak-Seiten
Dadurch sichtbare Unterschiede der Temperatur-verläufe und Maximaltemperaturen entlang der Dicke des Steaks
Frage: Einfluss von Änderung der beiden Zeiten t1, t2
Kann die Gesamtdauer für Bratenvorgang verkürzt werden?
Kann das Ergebnis des Bratenvorgangs (zeitliche Temperaturen im Steak) verbessert werden?
Wo liegen die Grenzen für die Anpassung von t1 und t2?
Auffälligkeit bei 2D Simulationen
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Numerische Simulation eines Steaks
Ergebniszusammenfassung Crank- Nicolson/ Euler Spez. Wärmekapazität 3820 J/(kg ∙ K) 20°C Zimmertemperatur Zeitschritt: 1Sekunde t1 = 280s t1 + t2 = 560s
2D Berechnung mit t1 = t2
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturverteilung
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturen vor dem Drehen
Temperaturen im Endzustand
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Numerische Simulation eines Steaks
Zeitlicher Temperaturverlauf
Ergebniszusammenfassung Crank- Nicolson/ Euler Spez. Wärmekapazität 3820 J/(kg ∙ K) 10°C Zimmertemperatur Zeitschritt: 1Sekunde t1 = 300s t1 + t2 = 600s
2D Berechnung mit t1 = t2
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturverteilung
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturen vor dem Drehen
Temperaturen im Endzustand
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Numerische Simulation eines Steaks
Zeitlicher Temperaturverlauf
cp-Wert = 3820 J/(kg ∙ K)
20°C Zimmertemperatur t1 = 280s t1+ t2 = 560s
10°C Außentemperatur t1 = 300s t1+ t2 = 600s
Ergebnisvergleich bei t1 = t2
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Numerische Simulation eines Steaks
cp-Wert = 2140 J/(kg ∙ K)
20°C Zimmertemperatur t1 = 150s t1+ t2 = 300s
10°C Außentemperatur t1 = 180s t1+ t2 = 360s
Temperaturverteilung (cp=3820J/(kg ∙ K), ϑamb=20°C)
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturen vor dem Drehen (t = 280s)
Temperaturen im Endzustand (t = 560s)
Temperaturverteilung (cp=3820J/(kg ∙ K), ϑamb=10°C)
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Numerische Simulation eines Steaks
Temperaturen vor dem Drehen (t = 300s)
Temperaturen im Endzustand (t = 600s)
Durch Verkleinerung von t1 kann die Gesamtdauer für den Bratenvorgang verkürzt werden
Die Maximaltemperaturen und teilweise die Temperaturverläufe (zeitlich versetzt) im Steak sind annähernd symmetrisch zur Mitte
Dadurch kann die erforderliche Energiemenge verringert und eine gleichmäßigere Konsistenz des Steaks erreicht werden
Fazit: Variation Zeit bis Seitenwechsel
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Numerische Simulation eines Steaks
Durch Erwärmung während t1 über die Mitte hinaus kann t2 kürzer als t1 gewählt werden (dies ist sinnvoll für gleichmäßiges Bratenergebnis und Verkürzung der Gesamtdauer)
t1 ist nach unten begrenzt durch die Dauer zur notwendigen Erwärmung der zuerst erhitzten Seite auf die gewünschten Temperaturen
Fazit: Variation Zeit bis Seitenwechsel
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Numerische Simulation eines Steaks
1D und 2D Simulationen liefern ähnliche Ergebnisse
Vereinfachte Annahmen feste Temperaturen nur Wärmeleitung keine Inhomogenität keine Berücksichtigung der Feuchtigkeit
und von chemischen Prozessen Qualität der Ergebnisse in 2D abhängig
von dem Gitter und der Zeitschritte
Zusammenfassung
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Numerische Simulation eines Steaks
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Sebastian Degener und Maike Sievers
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