Workbench瞬態熱分析

2017-07-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

問題描述:將一個溫度為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:瞬態熱分析

分析平臺:ANSYS Workbench 17.0

分析人:技術鄰一無所有就是打拼的理由

研究模型:自定義

一、引言

結構熱分析主要包括熱傳導、熱對流、熱輻射,熱分析遵循熱力學第一定律,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。傳熱現象在現實生活中普遍存在,比如食物的加熱,冷卻,有相變存在的蒸發冷凝換熱等。熱分析類型主要有穩態熱分析和瞬態熱分析。穩態熱分析中,我們只關心物體達到熱平衡狀態時的熱力條件,而不關心達到這種狀態所用的時間。在穩態熱分析中,任意節點的溫度不隨時間的變化而變化。一般來說,在穩態熱分析中所需要的唯一材料屬性是熱導率。在瞬態熱分析中,我們只關心模型的熱力狀態與時間的函數關系,比如對水的加熱過程。在瞬態熱分析中,需要對材料賦予熱導率,密度,比熱容等材料屬性及初始溫度,求解時間和時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,但因為氣體的熱導率比較低,所以接觸熱阻不利于傳熱。由于鋼球散熱與時間有關,我們選擇瞬態熱分析進行鋼球的散熱分析。

二、分析思路及流程

在分析中,我們忽略空氣的流動。先進行穩態熱分析,獲得瞬態熱分析的初始條件,然后將其傳遞到瞬態熱分析中;在瞬態熱分析中添加空氣對流換熱,來求解隨時間變化的溫度場。分析流程如下圖所示:

三、模型建立及網格劃分:

由于選取模型比較簡單,我們在DM中建立一個鋼球,選擇鋼球的半徑為30mm,然后在外側包絡一層空氣,包絡厚度選擇30mm,由于模型是對稱的,為了節省計算時間,減少計算量,選取1/4模型進行研究(也可以選取1/8)。由于模型較為簡單,網格采用自動劃分,模型及網格如下圖所示:

四、邊界條件施加及結果分析:

因為該問題為瞬態熱分析,我們需要先進行穩態熱分析獲得瞬態熱分析所需要的初始條件,對鋼球設置初始溫度為900攝氏度,空氣初始溫度為22攝氏度,將穩態熱分析的結果作為瞬態分析的初始條件,對空氣對流換熱系數為10W/m2K。對瞬態熱分析分為2個時間步,兩個時間步分別設置為60s,因此鋼球散熱共計120s。

鋼球在散熱120s后的溫度場如下圖所示,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,靠近鋼球側的空氣溫度上升較為明顯,基本接近鋼球溫度。離鋼球越遠處空氣溫度越低,最外側空氣最低溫度為55.811攝氏度。

t=120s時溫度云圖

t=120s時空氣溫度分布

鋼球散熱效果圖

從下圖中可以看出,鋼球在120s中,在每個兩個時間步里散熱量基本一致,鋼球散熱處于平穩狀態,即每秒中的散熱量基本相同。從空氣外側空氣溫度上升圖表中可以看出,空氣在前25秒內溫度急劇上升到55.905攝氏度。由于對流的存在,空氣溫度基本保持不變,鋼球溫度隨時間的增加而降低。

鋼球溫度隨時間下降過程

空氣最外側溫度隨時間上升

五、總結

本例通過 ANSYS workbench 講解了鋼球瞬態散熱問題的方法和具體應用。在現實生活中,關于熱的問題無處不在,比如我們燒熱水,對事物的加熱和冷卻,保溫等,復雜的熱分析問題比如沸騰及冷凝等,涉及到相變,更為復雜。在這個例子中,我們需要注意的是:在進行瞬態熱分析時,一般情況下要先進行穩態熱分析,以獲取瞬態分析的初始天劍,然后通過瞬態熱分析的分析設置及邊界條件設置,進行多載荷步的求解。

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