ANSYS对同轴圆柱体的辐射仿真模拟

2017-04-24  by:CAE仿真在线  来源:互联网

引言

辐射传热过程是是借助于电磁波的能量传播过程,是由物体内部微观粒子在运动状态改变时所激发出来的。由于辐射传热引起的热流与物体表面热力学温度的4次方成正比,因此辐射传热分析是高度非线性的。借助于温度场数值模拟仿真技术,可以了解研究热辐射规律,对于炉内传热的合理设计十分重要,对于高温炉操作工的劳动保护也有积极意义。

本文基于大型有限元软件ANSYS对辐射传热过程温度场模拟仿真,随着ANSYS版本不断更新,核心技术不断完善,其稳态瞬态热分析、辐射热分析、相变分析、热应力分析和流体热分析功能不断强大,更能显示其计算精度与计算速度的良好兼顾性。

1 辐射传热过程温度场模拟仿真1.1研究对象

本文研究的同轴圆柱体尺寸如图所示:

图1 研究模型

1.2基本假设

在复杂的辐射传热过程实际条件下,抓住主要方面模拟实验情况,做一些合理化的假设,但同时又能保证其结果的准确性。本文做如下假设:

1)由于两个圆柱体足够长,将问题简化为平面问题;

2)考虑到整个辐射传热过程为封闭系统,不需设置空间节点。

1.3初始条件

假设圆柱体是瞬时传热的。圆柱体为已知初始均匀温度场,即:

T(x,y,z,t=0)=T

T为圆柱体温度,即100°C.

1.4 边界条件

传热是在圆柱体内径行的的,所以把外圆柱体当做边界条件。

外圆柱体的初始温度:100°C

辐射率:1

两圆柱体的辐射传热用Newton冷却定律描述:

式中:α为对流换热系数,α=65 W/m2·℃;Tf为液态金属的特征温度;Tw为砂型边界温度。
辐射传热后,两圆柱体之间的导热主要以不稳定导热方式进行。三维不稳定热传导方程为:

式中:ρ为密度,kg/m3;c为定压比热容,J/(kg·℃);t为温度,℃;T为时间,s;λ为热导率,W/(m·℃);Q为内热源密度(此处为金属液凝固时释放的潜热),W/m3。
因为整个辐射传热过程为封闭系统,所以不必考虑两圆柱体与外界的传热。

1.5材料性能参数

材料性能参数

1.6 建立ANSYS有限元模型

根据圆柱体结构特征,定义其ANSYS单元类型为Thermal Solid实体单元;而后采用ANSYS中的实体建模工具构建其模型,建模完毕对铸件局部采用映射(Mapped)方式网格剖分。其他部分则利用智能网格划分器自由剖分,以达到所需部位网格细化的目的,从而兼顾计算精度和运算速度。铸件划分网格后的有限元模型如图2所示。

图2.划分网格

1.7加载求解

指定分析类型为Steady-state;先作稳态分析,确定本文第1. 3节初始条件及本文第1. 4节边界条件,设置稳态分析时间步长为O.Ols,施加温度载荷、对流载荷,得到初始温度场分布,将其作为整个瞬态分析过程的初始温度场;打开时间积分选项,设置计算终止时间为16200s,进行瞬态分析,着重研究该时间段内温度场的变化规律。

1.8模拟结果及分析

图3

图4

图5

从上面分析可以看出,如果不采取措施,实验结果可能不准确。使结果不准确的主要因素是多方面的,例如它们的吸收率(或反射率)、物体的形状和大小及其相互间的位置与距离的影响。

因此可以采用隔热性能良好的材料,避免将由壁面 以对流和辐射两种方式散失于周围环境中的热量。

从本例建立有限元模型、设置材料性能参数等可知,可以选择适当壁厚、绝热性能良好的材料,来控制零件辐射传热过程温度场分布。

2 结语

本文在结合辐射传热过程的基础上,给出一种对其温度场应用ANSYS软件模拟仿真的简单方法。该方法充分利用零件的结构特征,选取最恰当的单元类型,不但计算简单,省时省力,而且误差较小,精度较高,从而达到了兼顾计算精度和计算时间的模拟要求;该模拟结果对于炉内传热的合理设计十分重要,对于高温炉操作工的劳动保护也有积极义。
依据ANSYS模拟温度场,对于炉内传热的合理设计十分重要,对于高温炉操作工的劳动保护也有积极意义。当某系统需要保温时,即使此系统的温度不高,辐射传热的影响也不能忽视。如保温瓶胆镀银,就是为了减少由辐射传热造成的热损失。

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