Ansys 共轭传热分析实例Word文档下载推荐.docx
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如图1所示的计算区域,既包含流体区域也包含固体区域。
在初始状态下,流体域与固体与温度均为293K,然后给固体域底部施加恒定温度434K,计算分析计算域内温度随时间分布规律。
边界条件如图中所示。
图1计算域描述
2、建立几何模型并划分网格
利用DM建立如图1所示2D平面几何。
采用全四边形网格划分,如图2所示。
为所有边界命名,尤其是流体和固体区域交界面,后面需要在求解器中进行设置。
3、进入Fluent求解设置
本例为瞬态计算。
涉及到热量传递,因此需要激活能量方程。
流体介质为理想气体,考虑其在温度影响下密度变化。
考虑重力影响,设置重力加速度向量[0,-9.81,0],设置操作密度为0。
如图3所示。
压力-速度耦合方程采用PISO求解方式,对流项计算采用QUICK算法,其他项采用二阶迎风格式。
图2网格模型
图3操作项设置面板
设置流体域介质为air,固体域介质为默认的AL。
按图1所示边界条件设置计算域边界。
创建交界面,如图4所示进行设置。
图4设置交界面
4、初始化计算
设置初始化温度293K,如图5所示。
图5初始化面板
设置自动保存选项与动画录制项。
设置时间步长0.1s,时间步数100,内迭代次数20
基于Fluent与ANSYSworkbench的齿轮箱热固耦合温度场仿真案例
2015-12-0817:
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简介:
今天为大家带来齿轮箱瞬态温度场仿真的原创案例。
限于篇幅,这个帖子不像之前一样把所有设置一步步贴图,因此只给出关键图,设置全部给出了表格形式。
图1和图23是动图,但是好像帖子里动不起来,可以点击我的头像——作品展示里有动态图。
图1齿轮箱甩油润滑
齿轮减速结构是机械传动中最常见的形式,如下图。
图2
齿轮箱结构
由于齿轮之间存在摩擦,因此齿轮系统的温度场必须进行关注,以确保:
o齿轮结构没有过热(overheating)
o保证齿轮结构的完整性
o避免滑油过热引发的性能下降(粘度降低)及事故发生(如风机装置有可能油起火)
进一步延伸的话,由温升引发的热应力是分析齿轮与齿轮轴,乃至轴承与壳体的热疲劳问题的必要计算条件。
这个问题另外开帖与大家探讨。
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正文:
齿轮温度场涉及到摩擦学、传热学、机械传动理论和有限元分析等多学科领域的知识,是一个比较复杂的问题。
1969年,Blok.H阐述了热网络理论,其本质是考虑系统中各部分生热,在网络中用一个节点表示,每个节点表示每部分的平均温度。
通过整体分析得到要求的的各部分的温度值。
这种方法的缺陷在于,首先必须建立热阻、功率损失、对流换热系数计算模型,而这些参数不容易获得。
那么我们考虑用仿真的手段去求解这个问题。
我们首先来分析齿轮箱的结构,齿轮箱机械结构由壳体、端盖、大小齿轮、轴承、轴以及其他附件构成,我们首先要搞清楚分析的对象。
壳体的温度是否是我们关注的要点?
在本例中不是,那么我们的分析对象就是壳体中的所有元素,壳体只作为仿真的外边界。
轴承和轴在仿真中的意义也不明显,因此我们都予以简化。
分析传热模型,齿轮摩擦生热是热源,这些热量通过几种方式传播:
1.热传导——从齿缘往齿轮中心传导
2.热对流——齿轮和润滑油,润滑油和空气,又称为共轭传热
3.热辐射——温度不高,辐射量小可忽略
因此,滑油和空气是传热的介质,必须在模型中考虑进去(事实上这部分传热达到91%)。
滑油和空气是两相,因此要使用到fluent的多相流模型;
要模拟甩油过程,要使用动网格模型;
要模拟传热过程,利用fluent内建的传热模型。
这三者是本案例的核心。
这里不得不提到两位外国学者,GuillaumeHouzeaux对齿轮泵进行了仿真,并且关注局部网格,这可能是最早对齿轮+流体进行仿真;
而F.Lemfeld率先采用两相流模型捕捉了齿轮箱内的流体瞬态变化情况,但他在网格方面的处理比较简单,对齿轮齿形进行了切除,同时使用一定的壁面粗糙度值模拟齿形的存在,使齿轮能够甩油。
说了这么多废话,现在回到主题。
图3流固热耦合仿真流程
本例需要用到的模块包括fluent模块,其中又集成了ansys自带的几何处理与网格划分工具。
后面与fluent共享结果的是稳态热分析模块,以及静力结构模块,用来分析热应力对结构的影响,如用来分析热变形,限于篇幅本例不涉及。
本例实际流程可以简化如下,我个人喜欢拆分不同的模块,这样方便“故障隔离”:
图4
流体仿真流程
一、模型简化与网格划分
由于复杂的三维结构会增加网格划分的难度,会导致网格数目的无谓增加,加大计算量,因此对齿轮减速器三维模型进行简化:
壳体的凸台、通孔、垫圈等予以去除;
统一壁面厚度;
滚动轴承结构在对应位置采取同心圆环来表示,方便施加热流。
这里的模型简化工作是用SpaceClaim做的。
简化后的模型如图所示:
图5
简化模型
图6
仿真模型
这幅图中可以看得更清楚,经过模型简化后,流体部分的外轮廓线是比较简洁的。
注意这部分必须与齿轮箱贴合,这样以后计算热固耦合的时候,可以传递这个面上的温度场数据,如下图所示。
这部分内容本帖中不涉及,本案例在流体外部用fluent的虚拟壁厚技术模拟一个壳体。
一些基础几何参数:
图7
仿真模型与箱体示意图
齿轮传动的核心是齿轮副,对此不做任何简化以保证计算结果精度。
但是渐开线齿轮在现实中在节圆啮合,那么两齿轮中间的网格最小处趋近于0,无法划分网格。
目前通用的手段就是拉大中心距,只需将二齿轮中间拉大适当距离,保证有2-3层网格即可。
这个改动的影响在可接受范围内。
网格划分采用ANSYS自带
Meshing模块,先压制齿轮固体,再将齿轮齿形处进行一定细化,流体固体域分别划分网格。
这里要准确理解ANSYSWORKBENCH的part意义,将建模时不同的body放在一个part下与不放在一个part下有什么区别?
很多新手都会遇到这个问题,至少我是这么走过来的,但是没看到有任何一本书讲清楚了这个问题。
其实,其区别简单来看就是节点是否共享。
图8
网格节点是否共享的区别
这里我简单画了一个示意图(画的比较难看),从图中可以看出二者的区别。
两种方法在fluent中的区别是:
前者流体与固体网格节点共享,在fluent中会自动对命名完毕的固体域生成shadow面,比如driven-shadow。
若不放在一个part下,fluent会自动检测各个part(独立几何结构视作一个part)之间的接触区域(其实此部分工作在meshing中完成),对contactregion生成interface。
Interface就是交界面,这个面在fluent中可以用来传递域间参数,如压力、热等。
网格划分完毕的效果如图:
图9
整体网格
图10局部网格
以上网格都是四面体单元,方便进行动网格设置。
如不要求精确解,我们可以减小网格数目,采取以下这种单元数目较少的网格。
可以看出,body之间的网格节点不共享。
图11
简化网格
一些和网格划分有关的细节,可以按照这个表格去进行具体设置。
这里的Advancedsizing功能一定要打开,否则在边角处生成的网格质量很差。
表中用颜色标出了影响较大的设置项。
在fluent中导入网格以后,第一步一定要进行网格检查。
注意几个参数的数值,如果太差,动网格部分可能会报错,一般是出现负体积。
二、产热分析
齿轮传动的产热主要来源是齿轮啮合产热。
这部分的产热以目前的技术手段难以从仿真直接获得,但是有相应的经验模型,经验模型计算方便,模型中相关系数的获得比较容易。
Anderson和Loewenthal法将齿轮的功率分为三部分,滑动、滚动和风阻损失。
由于闭式传动风阻损失较小,忽略风阻损失。
滑动和滚动损失分别由以下公式确定:
齿轮滚动和滑动摩擦损失分配到啮合的两齿轮关系式:
通过公式计算生热过程不再赘述。
生热的施加在本例中是一个重点,因为使用了交界面进行热交换,并且兼容动网格,但是fluent不支持在交界面上施加热源,因此我们要计算出生热量,作为体积热源施加到齿轮固体域上。
udf见文后附件,热源大小假设是5000w/m3:
编译并且挂载udf以后,作为体积热源赋给固体域:
图12体积热源设置
三、fluent仿真模型分析
图13fluent中的模型
Fluent中整体模型如图所示。
现在我们来分析具体设置。
3.1
壳体与边界处理
齿轮减速器的热量来自于齿轮啮合部位以及轴承,一般轴承产热约为齿轮啮合产热的1%,忽略。
当齿轮减速器在某一工况下运转时,轴及滑油作为传热的媒介,将热量传导壳体,壳体又通过外部空气对流换热,与安装底座热传导。
这里,壳体可以利用Fluent的带厚度壁面技术,虚拟一个壳体热阻,自定义换热系数,将壳体参数化处理。
在BoundaryConditions中找到wallthickness的设置项,设置一个合理数值(30mm)即可。
图14
虚拟壳体设置
固体域和流体域的换热前文已经说过,通过交界面进行:
图15
交界面设置
注意这里交界面的两侧,fluent已经自动为其加后缀命名进行区分,一个是源面,一个是目标面。
当然你也可以在上一步划分网格的时候就自己命名,这样更有利于辨识。
比如我这里一个面叫做driven,一个叫做driven-fluid,代表与小齿轮接触的流体表面。
3.2
湍流模型
标准k-ε模型用于强旋流,弯曲壁面流动或弯曲流线流动时,会产生一定的失真。
因此采用RNG
k-ε模型(Yakhot.Orzag)。
与标准k-ε模型相比,RNG通过修正湍动粘度,考虑平均流动中的旋流流动情况,可以更好的处理高应变率以及流线弯曲程度较大的流动。
图16
流线图
从流线图中容易看出,齿轮箱中的流体流线弯曲是很严重的,湍流模型必须做出调整。
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