【技術(shù)篇】Ansys穩(wěn)態(tài)傳熱分析
2017-04-01 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
穩(wěn)態(tài)傳熱的定義
穩(wěn)態(tài)傳熱用于分析穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)或部件的影響。通常在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以前,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析用于確定初始溫度分布。
穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計算確定由于穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)
熱分析的單元
熱分析涉及到的單元有大約40種,其中純粹用于熱分析的有14種:
線性:
LINK32 兩維二節(jié)點熱傳導(dǎo)單元
LINK33 三維二節(jié)點熱傳導(dǎo)單元
LINK34 二節(jié)點熱對流單元
LINK31 二節(jié)點熱輻射單元
二維實體:
PLANE55 四節(jié)點四邊形單元
PLANE77 八節(jié)點四邊形單元
PLANE35 三節(jié)點三角形單元
PLANE75 四節(jié)點軸對稱單元
PLANE78 八節(jié)點軸對稱單元
三維實體:
SOLID87 六節(jié)點四面體單元
SOLID70 八節(jié)點六面體單元
SOLID90 二十節(jié)點六面體單元
殼 SHELL57 四節(jié)點
點 MASS71
ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的基本過程
ANSYS熱分析可分為三個步驟:
一建模
前處理:建模
求解:施加載荷計算
后處理:查看結(jié)果
①確定jobname、title、unit;
②進(jìn)入PREP7前處理,定義單元類型,設(shè)定單元選項;
③定義單元實常數(shù);
④定義材料熱性能參數(shù),對于穩(wěn)態(tài)傳熱,一般只需定義導(dǎo)熱系數(shù),它可以是恒定的,也可以隨溫度變化;
⑤創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。
二施加載荷計算①定義分析類型
如果進(jìn)行新的熱分析:
Command: ANTYPE, STATIC, NEW
GUI:Main menu>Solution>-AnalysisType->New Analysis>Steady-state
如果繼續(xù)上一次分析,比如增加邊界條件等:
Command: ANTYPE, STATIC, REST
GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart
②施加載荷
可以直接在實體模型或單元模型上施加五種載荷(邊界條件) :
a.恒定的溫度
通常作為自由度約束施加于溫度已知的邊界上。
Command Family: D
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature
b.熱流率
熱流率作為節(jié)點集中載荷,主要用于線單元模型中(通常線單元模型不能施加對流或熱流密度載荷),如果輸入的值為正,代表熱流流入節(jié)點,即單元獲取熱量。如果溫度與熱流率同時施加在一節(jié)點上則ANSYS讀取溫度值進(jìn)行計算。
注意:如果在實體單元的某一節(jié)點上施加熱流率,則此節(jié)點周圍的單元要密一些,在兩種導(dǎo)熱系數(shù)差別很大的兩個單元的公共節(jié)點上施加熱流率時,尤其要注意。此外,盡可能使用熱生成或熱流密度邊界條件,這樣結(jié)果會更精確些。
Command Family: F
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flow
c.對流
對流邊界條件作為面載施加于實體的外表面,計算與流體的熱交換,它僅可施加于實體和殼模型上,對于線模型,可以通過對流線單元LINK34考慮對流。
Command Family: SF
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection
d.熱流密度
熱流密度也是一種面載。當(dāng)通過單位面積的熱流率已知或通過FLOTRAN CFD計算得到時,可以在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。如果輸入的值為正,代表熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實體和殼單元。熱流密度與對流可以施加在同一外表面,但ANSYS僅讀取最后施加的面載進(jìn)行計算。
Command Family: F
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flux
e.生熱率
生熱率作為體載施加于單元上,可以模擬化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。
Command Family: BF
GUI:Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat
③確定載荷步選項
對于一個熱分析,可以確定普通選項、非線性選項以及輸出控制。
a.普通選項
時間選項:雖然對于穩(wěn)態(tài)熱分析,時間選項并沒有實際的物理意義,但它提供了一個方便的設(shè)置載荷步和載荷子步的方法。
Command: TIME
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps
每載荷步中子步的數(shù)量或時間步大小:對于非線性分析,每一載荷步需要多個子步。
Command: NSUBST
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
Command: DELTIM
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time-Time Step
遞進(jìn)或階越選項:如果定義階越(stepped)選項,載荷值在這個載荷步內(nèi)保持不變;如果為遞進(jìn)(ramped)選項,則載荷值由上一載荷步值到本載荷步值隨每一子步線性變化。
Command: KBC
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps
b.非線性選項
迭代次數(shù):本選項設(shè)置每一子步允許的最多的迭代次數(shù)。默認(rèn)值為25,對大數(shù)熱分析問題足夠。
Command: NEQIT
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Equilibrium Iter
自動時間步長: 對于非線性問題,可以自動設(shè)定子步間載荷的增長,保證求解的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
Command: AUTOTS
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps
收斂誤差:可根據(jù)溫度、熱流率等檢驗熱分析的收斂性。
Command: CNVTOL
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Convergence Crit
求解結(jié)束選項:如果在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi),達(dá)不到收斂,ANSYS可以停止求解或到下一載荷步繼續(xù)求解。
Command: NCNV
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Criteria to Stop
線性搜索:設(shè)置本選項可使ANSYS用Newton-Raphson方法進(jìn)行線性搜索。
Command: LNSRCH
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Line Search
預(yù)測矯正:本選項可激活每一子步第一次迭代對自由度求解的預(yù)測矯正。
Command: PRED
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Predictor
c.輸出控制
控制打印輸出:本選項可將任何結(jié)果數(shù)據(jù)輸出到*.out 文件中。
Command: OUTPR
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout
控制結(jié)果文件:控制*.rth的內(nèi)容。
Command: OUTRES
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File
④確定分析選項
a.Newton-Raphson選項(僅對非線性分析有用)
Command: NROPT
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
b.選擇求解器:可選擇如下求解器中一個進(jìn)行求解:
Frontal solver(默認(rèn))
Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solver
JCG out-of-memory solver
Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver
Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver(PCG)
Iterative(automatic solver selection option)
Command: EQSLV
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
注意:熱分析可選用Iterative選項進(jìn)行快速求解,但如下情況除外:
熱分析包含SURF19或SURF22或超單元;
熱輻射分析;
相變分析
需要restart an analysis
c.確定絕對零度:在進(jìn)行熱輻射分析時,要將目前的溫度值換算為絕對溫度。如果使用的溫度單位是攝氏度,此值應(yīng)設(shè)定為273;如果使用的是華氏度,則為460。
Command: TOFFST
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options
⑤保存模型: 點擊ANSYS工具條SAVE_DB。
⑥求解
Command: SOLVE
GUI: Main Menu>Solution>Current LS
三后處理ANSYS將熱分析的結(jié)果寫入*.rth文件中,它包含如下數(shù)據(jù):
基本數(shù)據(jù):
節(jié)點溫度
導(dǎo)出數(shù)據(jù):
節(jié)點及單元的熱流密度
節(jié)點及單元的熱梯度
單元熱流率
節(jié)點的反作用熱流率
其它
對于穩(wěn)態(tài)熱分析,可以使用POST1進(jìn)行后處理,關(guān)于后處理的完整描述,可參閱《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。
進(jìn)入POST1后,讀入載荷步和子步:
Command: SET
GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step
可以通過如下三種方式查看結(jié)果:
彩色云圖顯示
Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等
GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu, Element Solu, Elem Table
矢量圖顯示
Command: PLVECT
GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined
列表顯示
Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等
GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu
實例1:
某一潛水艇可以簡化為一圓筒,它由三層組成,最外面一層為不銹鋼,中間為玻纖隔熱層,最里面為鋁層,筒內(nèi)為空氣,筒外為海水,求內(nèi)外壁面溫度及溫度分布。
幾何參數(shù):
筒外徑 30 feet
總壁厚 2 inch
不銹鋼層壁厚 0.75 inch
玻纖層壁厚 1 inch
鋁層壁厚 0.25 inch
筒長 200 feet
導(dǎo)熱系數(shù)
不銹鋼 8.27 BTU/hr.ft.oF
玻纖 0.028 BTU/hr.ft.oF
鋁 117.4 BTU/hr.ft.oF
邊界條件
空氣溫度 70oF
海水溫度 44.5oF
空氣對流系數(shù) 2.5 BTU/hr.ft2.oF
海水對流系數(shù) 80 BTU/hr.ft2.oF
沿垂直于圓筒軸線作橫截面,得到一圓環(huán),取其中1度進(jìn)行分析,如圖示。
以下分別列出log文件和菜單文件。
菜單操作:
1.Utility Menu>File>change jobename, 輸入Steady1;
2.Utility Menu>File>change title,輸入Steady-state thermal analysis of submarine;
3.在命令行輸入:/units, BFT;
4.Main Menu: Preprocessor;
5.Main Menu: Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,選擇PLANE55;
6.Main Menu: Preprocessor>Material Prop>-Constant-Isotropic,默認(rèn)材料編號為1,在KXX框中輸入8.27,選擇APPLY,輸入材料編號為2,在KXX框中輸入0.028,選擇APPLY,輸入材料編號為3,在KXX框中輸入117.4;
7.Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas-Circle>By Dimensions ,在RAD1中輸入15,在RAD2中輸入15-(.75/12),在THERA1中輸入-0.5,在THERA2中輸入0.5,選擇APPLY,在RAD1中輸入15-(.75/12),在RAD2中輸入15-(1.75/12),選擇APPLY,在RAD1中輸入15-(1.75/12),在RAD2中輸入15-2/12,選擇OK;
8.Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleane->Glue>Area,選擇PICK ALL;
9.Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Size Contrls>-Lines-Picked Lines,選擇不銹鋼層短邊,在NDIV框中輸入4,選擇APPLY,選擇玻璃纖維層的短邊,在NDIV框中輸入5,選擇APPLY,選擇鋁層的短邊,在NDIV框中輸入2,選擇APPLY,選擇四個長邊,在NDIV中輸入16;
10.Main Menu: Preprocessor>-Attributes-Define>Picked Area,選擇不銹鋼層,在MAT框中輸入1,選擇APPLY,選擇玻璃纖維層,在MAT框中輸入2,選擇APPLY,選擇鋁層,在MAT框中輸入3,選擇OK;
11.Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Mapped>3 or 4 sided,選擇PICK ALL;
12.Main Menu: Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection>On lines,選擇不銹鋼外壁,在VALI框中輸入80,在VAL2I框中輸入44.5,選擇APPLY,選擇鋁層內(nèi)壁,在VALI框中輸入2.5,在VAL2I框中輸入70,選擇OK;
13.Main Menu: Solution>-Solve-Current LS;
14.Main Menu: General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu,選擇Temperature。
實例2
一圓筒形的罐有一接管,罐外徑為3英尺,壁厚為0.2英尺,接管外徑為0.5英尺,壁厚為0.1英尺,罐與接管的軸線垂直且接管遠(yuǎn)離罐的端部。如圖所示:
罐內(nèi)流體溫度為華氏450度,與罐壁的對流換熱系數(shù)年為250BUT/hr-ft2-oF,接管內(nèi)流體的溫度為華氏100度,與管壁的對流換熱系數(shù)隨管壁溫度而變。接管與罐為同一種材料,它的熱物理性能如下表所示:
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