ANSYS對同軸圓柱體的輻射仿真模擬

2017-04-24  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

引言

輻射傳熱過程是是借助于電磁波的能量傳播過程,是由物體內(nèi)部微觀粒子在運動狀態(tài)改變時所激發(fā)出來的。由于輻射傳熱引起的熱流與物體表面熱力學(xué)溫度的4次方成正比,因此輻射傳熱分析是高度非線性的。借助于溫度場數(shù)值模擬仿真技術(shù),可以了解研究熱輻射規(guī)律,對于爐內(nèi)傳熱的合理設(shè)計十分重要,對于高溫爐操作工的勞動保護(hù)也有積極意義。

本文基于大型有限元軟件ANSYS對輻射傳熱過程溫度場模擬仿真,隨著ANSYS版本不斷更新,核心技術(shù)不斷完善,其穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熱分析、輻射熱分析、相變分析、熱應(yīng)力分析和流體熱分析功能不斷強大,更能顯示其計算精度與計算速度的良好兼顧性。

1 輻射傳熱過程溫度場模擬仿真1.1研究對象

本文研究的同軸圓柱體尺寸如圖所示:

圖1 研究模型

1.2基本假設(shè)

在復(fù)雜的輻射傳熱過程實際條件下,抓住主要方面模擬實驗情況,做一些合理化的假設(shè),但同時又能保證其結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文做如下假設(shè):

1)由于兩個圓柱體足夠長,將問題簡化為平面問題;

2)考慮到整個輻射傳熱過程為封閉系統(tǒng),不需設(shè)置空間節(jié)點。

1.3初始條件

假設(shè)圓柱體是瞬時傳熱的。圓柱體為已知初始均勻溫度場,即:

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

T為圓柱體溫度,即100°C.

1.4 邊界條件

傳熱是在圓柱體內(nèi)徑行的的,所以把外圓柱體當(dāng)做邊界條件。

外圓柱體的初始溫度:100°C

輻射率:1

兩圓柱體的輻射傳熱用Newton冷卻定律描述:

式中:α為對流換熱系數(shù),α=65 W/m2·℃;Tf為液態(tài)金屬的特征溫度;Tw為砂型邊界溫度。
輻射傳熱后,兩圓柱體之間的導(dǎo)熱主要以不穩(wěn)定導(dǎo)熱方式進(jìn)行。三維不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)方程為:

式中:ρ為密度,kg/m3;c為定壓比熱容,J/(kg·℃);t為溫度,℃;T為時間,s;λ為熱導(dǎo)率,W/(m·℃);Q為內(nèi)熱源密度(此處為金屬液凝固時釋放的潛熱),W/m3。
因為整個輻射傳熱過程為封閉系統(tǒng),所以不必考慮兩圓柱體與外界的傳熱。

1.5材料性能參數(shù)

材料性能參數(shù)

1.6 建立ANSYS有限元模型

根據(jù)圓柱體結(jié)構(gòu)特征,定義其ANSYS單元類型為Thermal Solid實體單元;而后采用ANSYS中的實體建模工具構(gòu)建其模型,建模完畢對鑄件局部采用映射(Mapped)方式網(wǎng)格剖分。其他部分則利用智能網(wǎng)格劃分器自由剖分,以達(dá)到所需部位網(wǎng)格細(xì)化的目的,從而兼顧計算精度和運算速度。鑄件劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

圖2.劃分網(wǎng)格

1.7加載求解

指定分析類型為Steady-state;先作穩(wěn)態(tài)分析,確定本文第1. 3節(jié)初始條件及本文第1. 4節(jié)邊界條件,設(shè)置穩(wěn)態(tài)分析時間步長為O.Ols,施加溫度載荷、對流載荷,得到初始溫度場分布,將其作為整個瞬態(tài)分析過程的初始溫度場;打開時間積分選項,設(shè)置計算終止時間為16200s,進(jìn)行瞬態(tài)分析,著重研究該時間段內(nèi)溫度場的變化規(guī)律。

1.8模擬結(jié)果及分析

圖3

圖4

圖5

從上面分析可以看出,如果不采取措施,實驗結(jié)果可能不準(zhǔn)確。使結(jié)果不準(zhǔn)確的主要因素是多方面的,例如它們的吸收率(或反射率)、物體的形狀和大小及其相互間的位置與距離的影響。

因此可以采用隔熱性能良好的材料,避免將由壁面 以對流和輻射兩種方式散失于周圍環(huán)境中的熱量。

從本例建立有限元模型、設(shè)置材料性能參數(shù)等可知,可以選擇適當(dāng)壁厚、絕熱性能良好的材料,來控制零件輻射傳熱過程溫度場分布。

2 結(jié)語

本文在結(jié)合輻射傳熱過程的基礎(chǔ)上,給出一種對其溫度場應(yīng)用ANSYS軟件模擬仿真的簡單方法。該方法充分利用零件的結(jié)構(gòu)特征,選取最恰當(dāng)?shù)膯卧愋?不但計算簡單,省時省力,而且誤差較小,精度較高,從而達(dá)到了兼顧計算精度和計算時間的模擬要求;該模擬結(jié)果對于爐內(nèi)傳熱的合理設(shè)計十分重要,對于高溫爐操作工的勞動保護(hù)也有積極義。
依據(jù)ANSYS模擬溫度場,對于爐內(nèi)傳熱的合理設(shè)計十分重要,對于高溫爐操作工的勞動保護(hù)也有積極意義。當(dāng)某系統(tǒng)需要保溫時,即使此系統(tǒng)的溫度不高,輻射傳熱的影響也不能忽視。如保溫瓶膽鍍銀,就是為了減少由輻射傳熱造成的熱損失。

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