Ansys模拟水结冰的热分析过程.docx
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Ansys模拟水结冰的热分析过程.docx
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Ansys模拟水结冰的热分析过程
Ansys模拟水结冰的热分析过程
一、问题描述:
对一茶杯水的结冰过程进行分析,水和茶杯的初始温度为0℃,环境温度为-10℃,杯子侧面和顶面的对流换热系数为12.5W/m^2·℃,杯子放在桌面上,假设桌面可以对杯子底面提供-10℃的温度载荷。
计算3000s之后的温度分布。
模型如下:
茶杯底面外径54.41mm,内径50mm,高度85mm,顶面内径60mm,抽壳厚度为5mm(内部水的高度80mm)。
分析采用SI单位制,水的材料属性如下:
导热率:
0.6
密度:
1000
比热容:
4200
焓值:
温度℃
-10
-1
0
10
焓J/m^3
0
37.8e6
79.8e6
121.8e6
茶杯采用铁的材料属性:
导热率:
70
密度:
7833
比热容:
448
二、问题分析:
本例采用70热单元进行分析,由于对称性,采用1/4模型进行建模分析。
由于包含相变分析,因此水的焓值是必要的。
假设温度0℃的水结成0℃的冰需要放出42000J/kg·℃的热量,通过定义焓值来实现。
假设温度区间长度为1℃,因此温度低于-1℃,表示水已结成冰。
本例通过apdl进行分析,方便输入及调试。
三、分析步骤:
1、定义工程名及标题
fini
/cle!
清除数据库
/filname.shuijiebing,1!
此处设置工作名
/title,lovz!
此处设置标题
*afundeg!
定义角度为度
2、进入前处理,定义单元及材料属性
/prep7!
进入前处理模块
et,1,70!
定义70单元
mp,kxx,1,0.6!
设置材料属性
mp,c,1,4200
mp,dens,1,1000
mptemp,1,-10,-1,0,10
mpdata,enth,1,1,0,37.8e6,79.8e6,121.8e6!
焓值定义
mp,kxx,2,70
mp,dens,2,7833
mp,c,2,448
这里定义1号材料为水,2号材料为茶杯
3、定义参数
r1=50e-3
r2=60e-3
r3=54.41e-3
r4=65e-3
h1=80e-3
h2=85e-3
4、建模
wprot,,-90!
旋转工作平面
/pnum,volu,1!
打开体积显示
/view,1,1,1,1!
Iso视角
cone,r1,r2,0,h2,0,90!
建立水的1/4圆台模型
cone,r3,r4,0,h2,0,90!
建立茶杯轮廓模型
wpoff,,,h2-h1!
移动工作平面
vsbw,all!
用工作平面切割体,方便扫掠划分网格
vovlap,all!
对体进行叠分操作
vglue,all!
对体进行粘接操作
numcmp,all!
压缩所有编号
wpcsys,-1,0!
工作平面回归原点
/replot!
重新显示
5、对体赋予材料属性
vsel,,,,1,3!
体积1到3
vatt,2,,1!
赋予2号材料属性
vsel,,,,4!
体积4
vatt,1,,1!
赋予1号材料属性
Allsel!
选择所有
/pnum,mat,1!
打开材料编号显示
Vplot!
模型显示
模型显示如上,紫色部分为茶杯,材料属性2
6、分网
esize,2.5e-3!
单元尺寸2.5e-3
vsweep,all!
扫掠划分
网格划分如上,可见网格密度还是可以接受的。
7、进行求解设置
/sol!
进入求解模块
toff,273!
设置温度偏移
antype,4!
瞬态分析
outres,all,all!
输出设置,选择输出所有
tunif,0!
设置初始温度
timint,on!
打开时间积分
time,3000!
设置时间
deltim,30,30,100!
设置子载荷步时间,下限30s,上限100s
autots,on!
打开自动时间步长
kbc,1!
阶跃载荷
初始温度是必须设置的,也可以先关闭时间积分,对整体施加0℃的温度载荷,进行稳态分析,随后打开时间积分,进行瞬态分析。
8、施加载荷
用/pnum,area,1打开面显示,再用APLOT,确定要施加载荷的面的编号。
随后施加载荷
asel,,,,16,17
asel,a,,,2
asel,a,,,7!
选择对流边界的面编号
sfa,all,,conv,12.5,-10!
施加对流
asel,,,,1
asel,a,,,3!
选择茶杯底面
nsla,s,1!
选择底面上的全部节点
d,all,temp,-10!
施加温度载荷
Allsel
这里会提示一个载荷已经被施加的警告提示,确认施加载荷无误,不用管它,继续。
9、求解
Solve
大约进行约2分钟即可求解完成,会显示收敛曲线。
10、后处理
/post1!
进入后处理模块
set,last!
选择最后一个载荷步
plnsol,temp!
显示温度场分布
✧如上图所示,即为茶杯和水在3000s时的温度分布。
从中可以看出,除了红色部分的水未凝结之外,其余的水已经凝结。
✧仅对水的温度场进行处理,手动设置温度显示范围,可以更清楚看出水的凝结情况,如下
esel,s,mat,,1!
选择1号材料
Eplot!
显示单元
/cval,1,-10,-1,0,0.1!
设置温度显示范围
plnsol,temp
如上图,蓝色部分表示水已凝结为冰,黄色部分为水。
✧同样可以查看其它时间的温度场分布。
通过set选项中的bypick子项目选择自己想要查看的子载荷步,然后查看温度。
如:
/cval!
温度显示复位
set,,,,,,,11!
选择子载荷步11,即time=521
plnsol,temp
上图即为521s时水的温度场分布。
✧另外也可以通过设置选项,查看动画
antime,10,0.5,,1!
设置动画
/anfile,save,'lovz'!
保存,在ansys工作目录里提取avi格式动画
点击ok或输入上述命令后,即可显示动画,会弹出动画控制框,在滚动条调节动画频率,点击close关闭。
11、进入时间历程处理器
对一些节点进行温度-时间显示处理,如下:
/post26
n1=node(0,10e-3,0)!
选择距茶杯底面10mm的水节点
n2=node(0,30e-3,0)!
选择距底面30mm处的节点
csys,5!
设置y轴的柱坐标系,方便选择节点
n3=node(r1,45,h2/2)!
选择x=r1,y=45°,z=h2/2的节点
csys,0!
整体笛卡尔坐标
nsol,2,n1,temp,,t1!
定义节点温度
nsol,3,n2,temp,,t2
nsol,4,n3,temp,,t3
plvar,2,3,4!
显示温度-时间曲线
12、至此求解完毕。
本例为轴对称模型,可以采用二维55单元进行分析,由于网格可以设置的更为精细合理,可能结果精度更高。
鉴于3维直观性更好,且二维已有分析示例(仅对水做模拟,而忽略了茶杯对其的影响,并对底面施加了绝热条件),因此采用3维70单元分析。
本例对此优化,对茶杯建模,并施加更接近实际的边界条件。
可以看出水结冰的情况很大程度上决定于茶杯的属性及其边界条件。
因此本例对于该种情况的处理更加符合实际情形(实际桌面不可能对茶杯底部提供恒定的-10温度载荷,但影响应该不大,会减慢茶杯底部水的结冰速度,可对桌面建模,再将对流施加在桌面上,然后进行热分析)。
13、另外如果要做进一步优化,可以进行二维55单元的分析,同时利用单元生死技术模拟水倒入茶杯中的情形,给茶杯设置与周围环境相同的温度,先进行短时间的稳态分析,再进行瞬态分析,可以更好的模拟实际情况。
14、over_lovz
15、
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- 关 键 词:
- Ansys 模拟 结冰 分析 过程