【技術(shù)篇】Ansys穩(wěn)態(tài)傳熱分析

2017-04-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

穩(wěn)態(tài)傳熱的定義

穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)或部件的影響。通常在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以前,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始溫度分布。

穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)

熱分析的單元

熱分析涉及到的單元有大約40種,其中純粹用于熱分析的有14種:

線性:

LINK32 兩維二節(jié)點熱傳導(dǎo)單元

LINK33 三維二節(jié)點熱傳導(dǎo)單元

LINK34 二節(jié)點熱對流單元

LINK31 二節(jié)點熱輻射單元

二維實體:

PLANE55 四節(jié)點四邊形單元

PLANE77 八節(jié)點四邊形單元

PLANE35 三節(jié)點三角形單元

PLANE75 四節(jié)點軸對稱單元

PLANE78 八節(jié)點軸對稱單元

三維實體:

SOLID87 六節(jié)點四面體單元

SOLID70 八節(jié)點六面體單元

SOLID90 二十節(jié)點六面體單元

殼 SHELL57 四節(jié)點

點 MASS71

ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過程

ANSYS熱分析可分為三個步驟:

前處理:建模

求解:施加載荷計算

后處理:查看結(jié)果

一建模
①確定jobname、title、unit;

②進(jìn)入PREP7前處理,定義單元類型,設(shè)定單元選項;

③定義單元實常數(shù);

④定義材料熱性能參數(shù),對于穩(wěn)態(tài)傳熱,一般只需定義導(dǎo)熱系數(shù),它可以是恒定的,也可以隨溫度變化;

⑤創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。
二施加載荷計算
①定義分析類型

如果進(jìn)行新的熱分析:

Command: ANTYPE, STATIC, NEW

GUI:Main menu>Solution>-AnalysisType->New Analysis>Steady-state

如果繼續(xù)上一次分析,比如增加邊界條件等:

Command: ANTYPE, STATIC, REST

GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart

②施加載荷

可以直接在實體模型或單元模型上施加五種載荷(邊界條件) :

a.恒定的溫度

通常作為自由度約束施加于溫度已知的邊界上。

Command Family: D

GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature

b.熱流率

熱流率作為節(jié)點集中載荷,主要用于線單元模型中(通常線單元模型不能施加對流或熱流密度載荷),如果輸入的值為正,代表熱流流入節(jié)點,即單元獲取熱量。如果溫度與熱流率同時施加在一節(jié)點上則ANSYS讀取溫度值進(jìn)行計算。

注意:如果在實體單元的某一節(jié)點上施加熱流率,則此節(jié)點周圍的單元要密一些,在兩種導(dǎo)熱系數(shù)差別很大的兩個單元的公共節(jié)點上施加熱流率時,尤其要注意。此外,盡可能使用熱生成或熱流密度邊界條件,這樣結(jié)果會更精確些。

Command Family: F

GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flow

c.對流

對流邊界條件作為面載施加于實體的外表面,計算與流體的熱交換,它僅可施加于實體和殼模型上,對于線模型,可以通過對流線單元LINK34考慮對流。

Command Family: SF

GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection

d.熱流密度

熱流密度也是一種面載。當(dāng)通過單位面積的熱流率已知或通過FLOTRAN CFD計算得到時,可以在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。如果輸入的值為正,代表熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實體和殼單元。熱流密度與對流可以施加在同一外表面,但ANSYS僅讀取最后施加的面載進(jìn)行計算。

Command Family: F

GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flux

e.生熱率

生熱率作為體載施加于單元上,可以模擬化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。

Command Family: BF

GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat

③確定載荷步選項

對于一個熱分析,可以確定普通選項、非線性選項以及輸出控制。

a.普通選項

時間選項:雖然對于穩(wěn)態(tài)熱分析,時間選項并沒有實際的物理意義,但它提供了一個方便的設(shè)置載荷步和載荷子步的方法。

Command: TIME

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

每載荷步中子步的數(shù)量或時間步大小:對于非線性分析,每一載荷步需要多個子步。

Command: NSUBST

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps

Command: DELTIM

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time-Time Step

遞進(jìn)或階越選項:如果定義階越(stepped)選項,載荷值在這個載荷步內(nèi)保持不變;如果為遞進(jìn)(ramped)選項,則載荷值由上一載荷步值到本載荷步值隨每一子步線性變化。

Command: KBC

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

b.非線性選項

迭代次數(shù):本選項設(shè)置每一子步允許的最多的迭代次數(shù)。默認(rèn)值為25,對大數(shù)熱分析問題足夠。

Command: NEQIT

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Equilibrium Iter

自動時間步長: 對于非線性問題,可以自動設(shè)定子步間載荷的增長,保證求解的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

Command: AUTOTS

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

收斂誤差:可根據(jù)溫度、熱流率等檢驗熱分析的收斂性。

Command: CNVTOL

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Convergence Crit

求解結(jié)束選項:如果在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi),達(dá)不到收斂,ANSYS可以停止求解或到下一載荷步繼續(xù)求解。

Command: NCNV

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Criteria to Stop

線性搜索:設(shè)置本選項可使ANSYS用Newton-Raphson方法進(jìn)行線性搜索。

Command: LNSRCH

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Line Search

預(yù)測矯正:本選項可激活每一子步第一次迭代對自由度求解的預(yù)測矯正。

Command: PRED

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Predictor

c.輸出控制

控制打印輸出:本選項可將任何結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到*.out 文件中。

Command: OUTPR

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout

控制結(jié)果文件:控制*.rth的內(nèi)容。

Command: OUTRES

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File

④確定分析選項

a.Newton-Raphson選項(僅對非線性分析有用)

Command: NROPT

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

b.選擇求解器:可選擇如下求解器中一個進(jìn)行求解:

Frontal solver(默認(rèn))

Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solver

JCG out-of-memory solver

Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver

Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver(PCG)

Iterative(automatic solver selection option)

Command: EQSLV

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

注意:熱分析可選用Iterative選項進(jìn)行快速求解,但如下情況除外:

熱分析包含SURF19或SURF22或超單元;

熱輻射分析;

相變分析

需要restart an analysis

c.確定絕對零度:在進(jìn)行熱輻射分析時,要將目前的溫度值換算為絕對溫度。如果使用的溫度單位是攝氏度,此值應(yīng)設(shè)定為273;如果使用的是華氏度,則為460。

Command: TOFFST

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

⑤保存模型: 點擊ANSYS工具條SAVE_DB。

⑥求解

Command: SOLVE

GUI: Main Menu>Solution>Current LS
三后處理
ANSYS將熱分析的結(jié)果寫入*.rth文件中,它包含如下數(shù)據(jù):

基本數(shù)據(jù):

節(jié)點溫度

導(dǎo)出數(shù)據(jù):

節(jié)點及單元的熱流密度

節(jié)點及單元的熱梯度

單元熱流率

節(jié)點的反作用熱流率

其它

對于穩(wěn)態(tài)熱分析,可以使用POST1進(jìn)行后處理,關(guān)于后處理的完整描述,可參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

進(jìn)入POST1后,讀入載荷步和子步:

Command: SET

GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step

可以通過如下三種方式查看結(jié)果:

彩色云圖顯示

Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等

GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu, Element Solu, Elem Table

矢量圖顯示

Command: PLVECT

GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined

列表顯示

Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等

GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu

實例1:

某一潛水艇可以簡化為一圓筒,它由三層組成,最外面一層為不銹鋼,中間為玻纖隔熱層,最里面為鋁層,筒內(nèi)為空氣,筒外為海水,求內(nèi)外壁面溫度及溫度分布。

幾何參數(shù):

筒外徑 30 feet

總壁厚 2 inch

不銹鋼層壁厚 0.75 inch

玻纖層壁厚 1 inch

鋁層壁厚 0.25 inch

筒長 200 feet

導(dǎo)熱系數(shù)

不銹鋼 8.27 BTU/hr.ft.oF

玻纖 0.028 BTU/hr.ft.oF

鋁 117.4 BTU/hr.ft.oF

邊界條件

空氣溫度 70oF

海水溫度 44.5oF

空氣對流系數(shù) 2.5 BTU/hr.ft2.oF

海水對流系數(shù) 80 BTU/hr.ft2.oF

沿垂直于圓筒軸線作橫截面,得到一圓環(huán),取其中1度進(jìn)行分析,如圖示。

以下分別列出log文件和菜單文件。

菜單操作:

1.Utility Menu>File>change jobename, 輸入Steady1;

2.Utility Menu>File>change title,輸入Steady-state thermal analysis of submarine;

3.在命令行輸入:/units, BFT;

4.Main Menu: Preprocessor;

5.Main Menu: Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,選擇PLANE55;

6.Main Menu: Preprocessor>Material Prop>-Constant-Isotropic,默認(rèn)材料編號為1,在KXX框中輸入8.27,選擇APPLY,輸入材料編號為2,在KXX框中輸入0.028,選擇APPLY,輸入材料編號為3,在KXX框中輸入117.4;

7.Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas-Circle>By Dimensions ,在RAD1中輸入15,在RAD2中輸入15-(.75/12),在THERA1中輸入-0.5,在THERA2中輸入0.5,選擇APPLY,在RAD1中輸入15-(.75/12),在RAD2中輸入15-(1.75/12),選擇APPLY,在RAD1中輸入15-(1.75/12),在RAD2中輸入15-2/12,選擇OK;

8.Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleane->Glue>Area,選擇PICK ALL;

9.Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Size Contrls>-Lines-Picked Lines,選擇不銹鋼層短邊,在NDIV框中輸入4,選擇APPLY,選擇玻璃纖維層的短邊,在NDIV框中輸入5,選擇APPLY,選擇鋁層的短邊,在NDIV框中輸入2,選擇APPLY,選擇四個長邊,在NDIV中輸入16;

10.Main Menu: Preprocessor>-Attributes-Define>Picked Area,選擇不銹鋼層,在MAT框中輸入1,選擇APPLY,選擇玻璃纖維層,在MAT框中輸入2,選擇APPLY,選擇鋁層,在MAT框中輸入3,選擇OK;

11.Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Mapped>3 or 4 sided,選擇PICK ALL;

12.Main Menu: Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection>On lines,選擇不銹鋼外壁,在VALI框中輸入80,在VAL2I框中輸入44.5,選擇APPLY,選擇鋁層內(nèi)壁,在VALI框中輸入2.5,在VAL2I框中輸入70,選擇OK;

13.Main Menu: Solution>-Solve-Current LS;

14.Main Menu: General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu,選擇Temperature。

實例2

一圓筒形的罐有一接管,罐外徑為3英尺,壁厚為0.2英尺,接管外徑為0.5英尺,壁厚為0.1英尺,罐與接管的軸線垂直且接管遠(yuǎn)離罐的端部。如圖所示:

罐內(nèi)流體溫度為華氏450度,與罐壁的對流換熱系數(shù)年為250BUT/hr-ft2-oF,接管內(nèi)流體的溫度為華氏100度,與管壁的對流換熱系數(shù)隨管壁溫度而變。接管與罐為同一種材料,它的熱物理性能如下表所示: