Workbench瞬態(tài)熱分析

2017-07-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

問題描述:將一個(gè)溫度為900攝氏度的鋼球放在空氣中冷卻,分別查看鋼球和外部空氣的溫度變化。

分析類型:瞬態(tài)熱分析

分析平臺(tái):ANSYS Workbench 17.0

分析人:技術(shù)鄰一無所有就是打拼的理由

研究模型:自定義

一、引言

結(jié)構(gòu)熱分析主要包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射,熱分析遵循熱力學(xué)第一定律,即能量守恒。傳熱即是熱量傳遞,凡是有溫差存在的地方,必然有熱量的傳遞。傳熱現(xiàn)象在現(xiàn)實(shí)生活中普遍存在,比如食物的加熱,冷卻,有相變存在的蒸發(fā)冷凝換熱等。熱分析類型主要有穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析。穩(wěn)態(tài)熱分析中,我們只關(guān)心物體達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的熱力條件,而不關(guān)心達(dá)到這種狀態(tài)所用的時(shí)間。在穩(wěn)態(tài)熱分析中,任意節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間的變化而變化。一般來說,在穩(wěn)態(tài)熱分析中所需要的唯一材料屬性是熱導(dǎo)率。在瞬態(tài)熱分析中,我們只關(guān)心模型的熱力狀態(tài)與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系,比如對(duì)水的加熱過程。在瞬態(tài)熱分析中,需要對(duì)材料賦予熱導(dǎo)率,密度,比熱容等材料屬性及初始溫度,求解時(shí)間和時(shí)間增量這些邊界條件。在裝配體的熱分析中,我們還要考慮到接觸區(qū)域傳熱,由于接觸面可能存在表面粗糙度,接觸壓力等情況存在,導(dǎo)致存在接觸熱阻。接觸面存在兩種傳熱方式,一種是附體間的熱傳遞,另一種是通過空隙層的熱傳導(dǎo),但因?yàn)闅怏w的熱導(dǎo)率比較低,所以接觸熱阻不利于傳熱。由于鋼球散熱與時(shí)間有關(guān),我們選擇瞬態(tài)熱分析進(jìn)行鋼球的散熱分析。

二、分析思路及流程

在分析中,我們忽略空氣的流動(dòng)。先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析,獲得瞬態(tài)熱分析的初始條件,然后將其傳遞到瞬態(tài)熱分析中;在瞬態(tài)熱分析中添加空氣對(duì)流換熱,來求解隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)。分析流程如下圖所示:

三、模型建立及網(wǎng)格劃分:

由于選取模型比較簡(jiǎn)單,我們?cè)贒M中建立一個(gè)鋼球,選擇鋼球的半徑為30mm,然后在外側(cè)包絡(luò)一層空氣,包絡(luò)厚度選擇30mm,由于模型是對(duì)稱的,為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,減少計(jì)算量,選取1/4模型進(jìn)行研究(也可以選取1/8)。由于模型較為簡(jiǎn)單,網(wǎng)格采用自動(dòng)劃分,模型及網(wǎng)格如下圖所示:

四、邊界條件施加及結(jié)果分析:

因?yàn)樵搯栴}為瞬態(tài)熱分析,我們需要先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析獲得瞬態(tài)熱分析所需要的初始條件,對(duì)鋼球設(shè)置初始溫度為900攝氏度,空氣初始溫度為22攝氏度,將穩(wěn)態(tài)熱分析的結(jié)果作為瞬態(tài)分析的初始條件,對(duì)空氣對(duì)流換熱系數(shù)為10W/m2K。對(duì)瞬態(tài)熱分析分為2個(gè)時(shí)間步,兩個(gè)時(shí)間步分別設(shè)置為60s,因此鋼球散熱共計(jì)120s。

鋼球在散熱120s后的溫度場(chǎng)如下圖所示,從圖中可以看出,鋼球向空氣散熱120s后,鋼球的最高溫度為895.91攝氏度,靠近鋼球側(cè)的空氣溫度上升較為明顯,基本接近鋼球溫度。離鋼球越遠(yuǎn)處空氣溫度越低,最外側(cè)空氣最低溫度為55.811攝氏度。

t=120s時(shí)溫度云圖

t=120s時(shí)空氣溫度分布

鋼球散熱效果圖

從下圖中可以看出,鋼球在120s中,在每個(gè)兩個(gè)時(shí)間步里散熱量基本一致,鋼球散熱處于平穩(wěn)狀態(tài),即每秒中的散熱量基本相同。從空氣外側(cè)空氣溫度上升圖表中可以看出,空氣在前25秒內(nèi)溫度急劇上升到55.905攝氏度。由于對(duì)流的存在,空氣溫度基本保持不變,鋼球溫度隨時(shí)間的增加而降低。

鋼球溫度隨時(shí)間下降過程

空氣最外側(cè)溫度隨時(shí)間上升

五、總結(jié)

本例通過 ANSYS workbench 講解了鋼球瞬態(tài)散熱問題的方法和具體應(yīng)用。在現(xiàn)實(shí)生活中,關(guān)于熱的問題無處不在,比如我們燒熱水,對(duì)事物的加熱和冷卻,保溫等,復(fù)雜的熱分析問題比如沸騰及冷凝等,涉及到相變,更為復(fù)雜。在這個(gè)例子中,我們需要注意的是:在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析時(shí),一般情況下要先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析,以獲取瞬態(tài)分析的初始天劍,然后通過瞬態(tài)熱分析的分析設(shè)置及邊界條件設(shè)置,進(jìn)行多載荷步的求解。

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