Руководство по решению тепловых, сопряженных, гидрогазодинамических задач (1050672), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Где найти другие примеры нестационарного теплового анализа.Некоторые публикации по ANSYS, в частности ANSYS Verification Manual и Heat TransferTraining Manual, содержат дополнительные примеры по нестационарному и другим видамтеплового анализа.176Может быть полезным посещение семинара по теплопередачи в случае, если Вы занимаетесьанализом теплового отклика структур и таких компонентов как двигатели внутреннегосгорания, камеры давления, теплообменники, печи и т.д. Подробную информацию попроведению семинара можно получить, связавшись с Вашим дистрибьютором или потелефону (724) 514-2882.ANSYS Verification Manual содержит анализ контрольных примеров, демонстрирующихвозможности программы ANSYS.
Контрольные примеры, приведенные в ANSYS VerificationManual, демонстрируют решение реальных тепловых задач. Решение приведено безпоясняющих инструкций. Однако большинство пользователей ANSYS, имеющие хотя бынебольшой опыт решения тепловых задач, смогут самостоятельно разобраться в этихпримерах.ANSYS Verification Manual содержит нестационарный тепловой анализ следующих задач.VM28 – Нестационарная теплопередача в бесконечной пластинеVM94 – Пластина с внутренним источником тепла.VM104 – Фазовый переход (кристаллизация)VM109 - Температурный отклик на мгновенное охлаждения провода.VM110 – Нестационарное распределение температур в пластинеVM111 – Охлаждение шарообразного телаVM112 - Охлаждение шарообразного телаVM113 - Нестационарное распределение температур в ортотропном металлическом стержнеVM115 – Тепловой отклик пластины с внутренним источником теплотыVM116 – Мгновенное охлаждение теплопроводящей пластины.VM159 – Нагреватель с контролируемой температуройVM192 – Охлаждение бруска за счет излучения.Глава 4.
Теплообмен излучением.4.1. Что такое теплообмен излучением?Излучение – передача энергии посредством электромагнитных волн. Скорость э/м волнравна скорости света и передача энергии не нуждается в среде. Тепловое излучение являетсявсего лишь небольшим диапазоном электромагнитного спектра. Вследствие того, чтотепловой поток, вызванный излучением, прямо пропорционален четвертой степениабсолютной температуры тела, анализ излучения обладает высокой нелинейностью.4.2. Решение задач лучистого теплообмена.Программа ANSYS дает возможность решать задачи лучистого теплообмена четырьмяметодами. Методы предназначены для разных ситуаций:177••••Линейный радиационный элемент LINK31 можно использовать для простых задач, вкоторых теплообмен излучением происходит между двумя точками или несколькими парамиточек.Вы можете использовать элементы с поверхностным эффектом SURF151 и SURF152если теплообмен излучением протекает между поверхностью и точкой.Вы можете использовать метод радиационной матрицы AUX12 для более сложныхзадач, в которых теплообмен излучением происходит между двумя или более поверхностями(использование этого метода возможно только в таких блоках, как Multiphysics, Mechanical иProfessional).Для задач, вовлекающих две или более 3D (2D) поверхностей можно использоватьрадиационный решатель.
Этот метод поддерживается всеми 3D (2D) элементами, имеющимитемпературную степень свободы (использование этого решателя возможно только в такихблоках, как Multiphysics, Mechanical и Professional).Можно использовать эти методы, как для стационарного, так и для нестационарноготеплового анализа. Теплообмен излучением является нелинейным явлением поэтому дляполучения сходящегося решения необходимо использовать итеративное решение.4.3. Определения.Следующие определения поясняют терминологию, используемую в радиационном анализе:••••Полость: Открытая или закрытая полость в радиационном анализе есть наборплоскостей, излучающих друг на друга.
В ANSYS можно иметь несколько полостей. ANSYSиспользует определение полости для вычисления угловых коэффициентов междуповерхностями, принадлежащими одной полости. Каждая открытая полость может иметьпространственную температуру или пространственный узел.Радиационные поверхности: Открытая или закрытая полость может состоять измногих поверхностей, излучающих друг на друга. Каждая радиационная поверхность имееткоэффициент излучения и направление излучения. Коэффициент излучения поверхностиможет быть функцией от температуры.Угловые коэффициенты: Для вычисления лучистого теплообмена между двумяповерхностями, необходимо определить долю тепловой энергии поверхности I, котораяпосредством лучистого теплообмена попадает на поверхность J. Эта доля известна какугловой коэффициент или форм фактор.
В ANSYS можно вычислить угловыекоэффициенты, используя метод с (без) экранирования для двумерных и трехмерных задачили так называемый Hemicube метод для трехмерных задач.Коэффициент излучения: коэффициент излучения, это излучающая способностьповерхности, определяемая как отношение излучаемой поверхностью энергии к энергии,излучаемой абсолютно черным телом при той же температуре. ANSYS ограничиваетлучистый теплообмен между поверхностями серыми диффузными поверхностями.
Слово“серая” означает, что коэффициент излучения поверхности не зависит от длины волны(может зависеть от температуры). Слово “диффузный” означает, что коэффициентыизлучения и поглощения не зависят от направления. Для серых диффузных поверхностейсправедливы равенства:Коэффициент излучения = коэффициент поглощенияКоэффициент излучения + коэффициент отражения = 1•Постоянная Стефана – Больцмана: постоянная Стефана – Больцмана являетсякоэффициентом пропорциональности между плотностью лучистого теплового потока и178••••температурой в четвертой степени.
Размерность постоянной зависит от размерностиабсолютной температуры используемой в модели.Смещение температуры: Размерность температуры имеет важную роль в анализелучистого теплообмена. Можно при расчете использовать размерность абсолютнойтемпературы. Если температура задается в градусах Фаренгейта или Цельсия, то в этомслучае необходимо задать смещение температуры. Если температура задается в градусахФаренгейта, то смещение составит 460°, если температура задается в градусах Цельсия, тосмещение составит 273°.Пространственная температура: для решения задач, имеющих открытые полости,ANSYS требует задания пространственной температуры для сохранения энергетическогобаланса с окружающей средой.
Для каждой полости можно задать свою пространственнуютемпературу.Пространственный узел: для решения задач, имеющих открытые полости, можноиспользовать температуру пространственного узла для имитации температуры окружающейсреды, если окружающей средой является другое тело модели.Радиационный решатель: Радиационный решатель вычисляет теплообмен междуизлучающими телами, решая исходящую плотность лучистого теплового потока для каждойповерхности когда известны температуры всех поверхностей. Плотности тепловых потоковповерхностей используются в качестве граничных условий модели конечных элементов дляанализа процесса теплопроводности в ANSYS.
После вычисления новых температурповерхности, в результате нового временного шага или итерационного цикла, новыезначения плотности теплового потока задаются в качестве граничных условий.4.4. Использование радиационного элемента LINK31.LINK31 двухузловой нелинейный элемент вычисляет тепловой поток, вызванный тепловымизлучением между двух точек. Для элемента необходимо определить в форме вещественныхконстант следующее:••••Эффективную площадь излучающей поверхности.Угловой коэффициентКоэффициент излученияПостоянную Стефана - Больцмана.Ограничьте использование элемента LINK31 решением простых задач лучистоготеплообмена для которых известны угловые коэффициенты или если можно угловыекоэффициенты вычислить вручную.4.5.
Использование элементов с поверхностным эффектом.Удобный путь создания модели лучистого теплообмена между поверхностью и точкойзаключается в использовании элементов с поверхностным эффектом, которыенакладываются на испускающие или поглощающие тепловую энергию поверхности.ANSYS дает возможность использовать такие элементы: SURF151 для двумерных моделей иSURF152 для трехмерных моделей. Для этих элементов опция KEYOPT(9) активизируеттепловое излучение. Угловой коэффициент может быть задан как вещественная константа(по умолчанию коэффициент равен 1) следующим образом KEYOPT(9) = 1.4.6.
Использование метода радиационной матрицы (вспомогательныйпроцессор AUX12).179Этот метод можно использовать для решения задач лучистого теплообмена включающих двеили более поверхностей, поглощающих или испускающих тепловую энергию. Методработает в таких модулях ANSYS как Multiphysics, Mechanical и Thermal.Рассматриваемый метод формирует матрицу угловых коэффициентов (форм-факторов)между излучающими поверхностями и использует матрицу как суперэлемент в тепловоманализе.4.6.1.
Процедура.Метод радиационной матрицы состоит из трех шагов:1.2.3.Определение радиационных поверхностей.Формирование радиационной матрицы.Использование радиационной матрицы в тепловом анализе.4.6.1.1. Определение излучающих поверхностей.Для задания излучающих поверхностей, Вы создаете накладываемую сетку из элементовLINK32 для двумерных моделей и сетку из элементов SHELL57 для трехмерных моделей.Для этого выполните следующее:1.Постройте тепловую модель в препроцессоре (PREP7).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
