Workbench瞬态热分析

2017-07-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

问题描述:将一个温度为900摄氏度的钢球放在空气中冷却,分别查看钢球和外部空气的温度变化。

分析类型:瞬态热分析

分析平台:ANSYS Workbench 17.0

分析人:技术邻一无所有就是打拼的理由

研究模型:自定义

一、引言

结构热分析主要包括热传导、热对流、热辐射,热分析遵循热力学第一定律,即能量守恒。传热即是热量传递,凡是有温差存在的地方,必然有热量的传递。传热现象在现实生活中普遍存在,比如食物的加热,冷却,有相变存在的蒸发冷凝换热等。热分析类型主要有稳态热分析和瞬态热分析。稳态热分析中,我们只关心物体达到热平衡状态时的热力条件,而不关心达到这种状态所用的时间。在稳态热分析中,任意节点的温度不随时间的变化而变化。一般来说,在稳态热分析中所需要的唯一材料属性是热导率。在瞬态热分析中,我们只关心模型的热力状态与时间的函数关系,比如对水的加热过程。在瞬态热分析中,需要对材料赋予热导率,密度,比热容等材料属性及初始温度,求解时间和时间增量这些边界条件。在装配体的热分析中,我们还要考虑到接触区域传热,由于接触面可能存在表面粗糙度,接触压力等情况存在,导致存在接触热阻。接触面存在两种传热方式,一种是附体间的热传递,另一种是通过空隙层的热传导,但因为气体的热导率比较低,所以接触热阻不利于传热。由于钢球散热与时间有关,我们选择瞬态热分析进行钢球的散热分析。

二、分析思路及流程

在分析中,我们忽略空气的流动。先进行稳态热分析,获得瞬态热分析的初始条件,然后将其传递到瞬态热分析中;在瞬态热分析中添加空气对流换热,来求解随时间变化的温度场。分析流程如下图所示:

三、模型建立及网格划分:

由于选取模型比较简单,我们在DM中建立一个钢球,选择钢球的半径为30mm,然后在外侧包络一层空气,包络厚度选择30mm,由于模型是对称的,为了节省计算时间,减少计算量,选取1/4模型进行研究(也可以选取1/8)。由于模型较为简单,网格采用自动划分,模型及网格如下图所示:

四、边界条件施加及结果分析:

因为该问题为瞬态热分析,我们需要先进行稳态热分析获得瞬态热分析所需要的初始条件,对钢球设置初始温度为900摄氏度,空气初始温度为22摄氏度,将稳态热分析的结果作为瞬态分析的初始条件,对空气对流换热系数为10W/m2K。对瞬态热分析分为2个时间步,两个时间步分别设置为60s,因此钢球散热共计120s。

钢球在散热120s后的温度场如下图所示,从图中可以看出,钢球向空气散热120s后,钢球的最高温度为895.91摄氏度,靠近钢球侧的空气温度上升较为明显,基本接近钢球温度。离钢球越远处空气温度越低,最外侧空气最低温度为55.811摄氏度。

t=120s时温度云图

t=120s时空气温度分布

钢球散热效果图

从下图中可以看出,钢球在120s中,在每个两个时间步里散热量基本一致,钢球散热处于平稳状态,即每秒中的散热量基本相同。从空气外侧空气温度上升图表中可以看出,空气在前25秒内温度急剧上升到55.905摄氏度。由于对流的存在,空气温度基本保持不变,钢球温度随时间的增加而降低。

钢球温度随时间下降过程

空气最外侧温度随时间上升

五、总结

本例通过 ANSYS workbench 讲解了钢球瞬态散热问题的方法和具体应用。在现实生活中,关于热的问题无处不在,比如我们烧热水,对事物的加热和冷却,保温等,复杂的热分析问题比如沸腾及冷凝等,涉及到相变,更为复杂。在这个例子中,我们需要注意的是:在进行瞬态热分析时,一般情况下要先进行稳态热分析,以获取瞬态分析的初始天剑,然后通过瞬态热分析的分析设置及边界条件设置,进行多载荷步的求解。

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