L’analisi termica permette di calcolare l’andamento della temperatura in ciascun punto del sistema, e gradienti, i flussi entalpici etc, applicando le equazioni della trasmissione del calore per irraggiamento, conduzione e convezione al modello stesso. Tipicamente l’analisi termica è di tipo non-lineare in quanto i coefficienti di scambio termico dipendono a loro volta dalla temperatura.
L’analisi termica può essere effettuata a regime (steady state, o analisi termica stazionaria) o come transitorio termico, valutando l’andamento nel tempo delle variabili termiche fino all’instaurazione di un eventuale stato di equilibrio di regime.

Il calcolo termico mediante FEM e CFD può essere applicato a tutti i dispositivi, le macchine, le strutture nel cui funzionamento è prevista la generazione e lo smaltimento di calore, nonché l’interazione con un fluido che serve come veicolo per il riscaldamento o il raffreddamento.

• Studio del sistema di condizionamento del’aria HVAC per migliorare il comfort ambientale.
• Ottimizzazione del sistema di raffreddamento di dispositivi elettronici e macchine elettriche.
• Calcolo della dissipazione del calore nei sistemi di illuminazione a incandescenza e a LED.
• Studio di sistemi di scambio di calore, quali radiatori, scambiatori a fascio tubiero.
• Determinare la distribuzione di temperatura su una serie di corpi, per la successiva analisi termo-strutturale.
• Simulazione del processo di riscaldamento e raffreddamento di stampi e prodotti sottoposti a cicli termici.

L’analisi termo-strutturale permette di determinare lo stato di deformazione e di sollecitazione dovuto agli effetti combinati della temperatura e dei vincoli di montaggio del componente. Una volta nota la distribuzione di temperatura, è possibile utilizzare questa informazione come condizione di carico per conoscere l’entità delle dilatazioni termiche e degli stress termici indotte sul componente. Per poter procedere in tal senso, è necessario che i risultati dell’analisi termica vengano “mappati” sulla griglia di calcolo strutturale. Questa operazione può essere banale se la stessa griglia computazionale (mesh) è stata usata sia per l’analisi termica che per la strutturale, o necessitare di una interpolazione spaziale qualora le griglie siano di tipo differenti.

Per completare un ciclo di analisi termo-strutturale su un determinato componente è pertanto necessario procedere in tre fasi:

• analisi termica,
• trasferimento del campo di temperatura determinato dal calcolo termico termica sul modello strutturale come “carico” applicato,
• analisi strutturale.

I “carichi” termici vengono generalmente specificati sotto forma di flussi di calore introdotti in determinate aree del componente in via di studio (ad esempio il calore dissipato da componenti elettronici su una scheda madre PCB), di irraggiamento dovuto all’esposizione ad una sorgente radiante (ad esempio nel caso di un radar montato su un satellite orbitante, esposto all’irraggiamento solare).

I “vincoli” termici sono spesso associati a temperature assegnate in certe aree, mentre i coefficienti di scambio convettivo completano la definizione delle condizioni al contorno.

L’analisi termo-ottica è una disciplina nella quale viene valutato l’effetto delle distorsioni termiche di lenti o corpi riflettenti. A differenza delle dilatazioni termiche strutturali, nell’analisi termo-ottica la distorsione viene espressa utilizzando degli indicatori che esprimono lo scostamento della superficie ottica rispetto alla geometria nominale.

SmartCAE ha messo a punto un procedimento proprietario per l’elaborazione delle deformate strutturali totali (distribuzione di spostamento dovuta alla dilatazione termica) al fine di valutare i parametri di distorsione significativi ai fini dell’ottica, rimuovendo le componenti di moto rigido (tilt, piston) e di tipo sferico (power). Viene quindi calcolato il grado di distorsione RMS e peak-valley rilevante in termini ottici (wavefront error, surface accuracy).

Il calcolo termico di apparecchiature aerospaziali può richiedere simulazioni sofisticate della evoluzione dell’ambiente termico durante l’operatività dell’apparato, legate ad esempio all’orbita da esso seguita, e/o all’azionamento di dispositivi di controllo termico attivi etc.

Esistono strumenti software sviluppati specificamente per il settore spazio che permettono di simulare tali effetti in modo semplice ed accurato. Tra essi, l’ambiente di modellazione termica ESATAN-TMS, originariamente sviluppato in ambito ESA, costituisce uno standard di fatto.

SmartCAE è in grado di svolgere analisi termiche utilizzando ESATAN-TMS, sia per quanto riguarda il calcolo degli scambi radiativi (ESARAD) che per quanto concerne gli aspetti termici conduttivi, convettivi e fluidodinamici (ESATAN).

La costruzione del modello geometrico (GMM) dell’equipment viene realizzata a partire dalla sua geometria, delle proprietà termo ottiche dei materiali, dalle caratteristiche delle interfacce termiche ambientali (ad esempio la presenza di superfici radianti circostanti) e dalla descrizione dell’orbita (eventualmente sincronizzata con cambiamenti di configurazione geometrica e/o orientamento del sistema rispetto alle sorgenti radiative).

La caratterizzazione termica può essere effettuata sia tramite descrizione FEM che LP (Lumped Parameter, a parametri concentrati), che utilizzando una modellazione ibrida FEM / LP. SmartCAE può eseguire analisi termiche preliminari o concettuali, oppure altamente dettagliate, di tipo stazionario o transitorio.