51065

Термический анализ

Лабораторная работа

Физика

Основы термического анализа В статическом стационарном термическом анализе в Mechnicl определяется матрица температур T из следующего уравнения: При этом делаются следующие предположения: Зависимость от времени не рассматривается в данном типе анализа; K тепловой поток может быть постоянной согласно закону Фурье или зависеть от температуры; Q система с граничными условиями может быть постоянной или зависеть от температуры; в качестве граничных условий могут выступать – тепловой поток скорость теплового потока и...

Русский

2014-02-04

1.53 MB

3 чел.

Лабораторная работа № 4 (4 часа)

Термический анализ

Цель работы:

Ознакомиться с последовательностью проведения термического анализа объекта, изучить назначение опций окна детализации, научиться пользоваться функциональным и табличным вводом исходных значений.

1 Задание на работу

Часть 1. Проанализировать режим работы теплообменной оребренной трубки. Внутри трубки протекает горячая среда, температура стенки трубки tр ,°С. Температура окружающей среды t0.  Происходит внешняя конвекция тепла.  Оценить воздействие потерь излучения  системы. Расчетная схема системы представлена на рисунке 1. Исходные данные – в таблице 4.1.

Часть 2.Проанализировать работу оребренной трубки, при условии что температура на входе в трубку составляет tвх ,°С, а на выходе -tвых ,°С. Использовать функциональную зависимость.

Рисунок 1

Таблица 1 – Исходные данные для выполнения лабораторной работы

№ варианта

Материал детали

t0, °С

tр, °С

tвх, °С

tвых, °С

Функция

1

алюминий

10

300

300

200

tвх - 0,25 * y

2

15

330

400

300

3

20

360

350

250

tвх -0,3*y

4

25

400

250

150

5

30

430

200

100

tвх -0,35*y

6

10

350

250

100

7

15

400

300

150

tвх -0,2*y

8

20

450

350

200

9

25

500

400

250

tвх -0,15*y

10

30

550

450

300

2 Теория

2.1 Основы термического анализа

В статическом ( стационарном) термическом анализе в Mechanical, определяется матрица температур {T} из следующего уравнения:

При этом делаются следующие предположения:

-Зависимость от времени не рассматривается в данном типе анализа;

-[K] – тепловой поток, может быть постоянной (согласно закону Фурье) или зависеть от температуры;

-{Q} – система с граничными  условиями ,  может быть постоянной или зависеть от  температуры;

- в качестве граничных условий могут выступать – тепловой поток, скорость теплового потока и конвекция;

- конвекция рассматривает в качестве граничного условия, хотя и зависит от температуры  и коэффициента формы (film coefficients)

Для определения свойств материала в термическом расчете необходимо задать параметры:

- Thermal Conductivity (Теплопроводность)

- Зависимость теплопроводности от температуры вводится в виде таблицы

В DM как и в конструкционном анализе, контакты создаются автоматически, чтобы обеспечить теплообмен между частями сборки.

Если детали изначально находятся в контакте, то между ними осуществляется теплопередача.

Если части изначально не в контакте, то теплообмен не осуществляется (см pinball explanation below).

Рinball region  определяет, когда происходит контакт и устанавливается когда в модели есть зазор.

Если используется контакт bonded или  no separation, то теплопередача осуществляется когда тела находятся в пределах радиуса.

По умолчанию, предполагается что контакт идеальный и не происходит понижение температуры на границе раздела. Однако внешние условия могут изменить ситуацию, например: наличие окислов на поверхности, температура поверхности, использование смазки и пр.

Поток тепла через поверхность контакта

где Tcontact  температура в контактном «узле» и Ttarget  температура соответствующего целевого «узла».

2.2 Тепловые нагрузки

Heat Flow - Скорость теплового потока:

-Может быть применена к вершине, ребру, или поверхности.

-Нагрузка распределяется на множественный выбор.

-Тепловой поток имеет размерность энергии / времени.

Perfectly insulated (heat flow = 0):  Изоляция теплового потока

-Доступные для удаления поверхностей от ранее применявшихся граничных условий

Heat Flux -  Поток тепла:

-Тепловой поток может быть применен только к поверхности (края в 2D).

-Тепловой поток имеет размерность единица энергии / времени / площадь.

Internal Heat Generation  -внутренняя энергия:

-применяется только к органам

-единица измерения энергии / времени / объема

Положительное значение тепловой нагрузки будет добавлять энергию в систему

2.3 Тепловые граничные условия Thermal Boundary Conditions

К ним относятся температура, конвекция и излучение. Для предотвращения  теплового эквивалента движения твердого тела необходимо, чтобы присутствовал по крайней мере один тип теплового граничного условия.

С учетом температуры или конвекции нагрузка не должна применяться на поверхностях, которые уже имеют другие тепловые нагрузки или тепловые граничные условия, к нему применяемые.

Температура. Температура обладает 1 степенью свободы.

Допускается  накладывать  температуру на вершины, ребра, поверхности или тела.

Температура является скалярной величиной и не зависит от направления.

 Конвекция. Задается применительно только к поверхности (края в 2D анализе). Величину конвекции можно вводить в виде табличных данных.

Например, зависимая от температуры конвекция Temperature-Dependent Convection:

-Выберите "Табличные (Температура)" для коэффициента типа.

-Введите коэффициент против температуры табличных данных.

-В области сведений, указать, как температура будет обрабатываться

Рисунок 2

Некоторые общие соотношения конвекции могут быть импортированы из образца библиотеки. Новые корреляции могут быть сохранены в библиотеках.

Рисунок 3

 Радиация. Используется применительно к поверхности (ребер в 2D-анализ)

где  σ – постоянная Стефана-Больцмана, устанавливается автоматически

ε -  Коэффициент излучения

А - Площадь излучающей поверхности

F – фактор формы, по умолчанию для внешних поверхностей принимаем равным 1

2.4 Опции решателя

Steady-State Thermal создает тепловой модуль в проекте

Analysis Settings в Mechanical можно использовать для термического анализа

Для поиска температурных напряжений необходима привязка к структурному анализу на уровне решения. Импортированная из статического анализа нагрузка воздействует вместе с термической  нагрузкой на конструкцию.

Рисунок 4

2.5 Результаты постпроцессинга

Для постобработки доступны:

- Temperature

- Heat Flux

- “Reaction” Heat Flow Rate (расход тепла)

- User defined results (пользовательские результаты)

Расход тепла доступен для условий температуры, конвекции или излучения на границе.


3 Ход выполнения работы

3.1 Часть 1

3.1.1 Открыть Workbench и установить единицы измерения СИ. Установить вывод результатов в модулях проекта “Display Values in Project Units”.

3.1.2 Загрузить модуль Steady State Thermal

3.1.3 Импортировать геометрию “Fin_Tube_WS6. stp”.

3.1.4 Выбрать  материал детали в Engineering Data  и вернуться в проект. Марку материала выбрать в зависимости от варианта по таблице 1

3.1.5 Загрузить DM.

3.1.6 Выбрать в геометрии “FinTube” и назначить марку материала. Просмотреть  технические данные материала.

Рисунок 5

3.1.7 Выделить в дереве сетку mesh, выделить 2 поверхности симметрии на объекте, затем нажать ПКМ> Insert > Sizing. Установить размер элемента Element Size 2 мм.

Рисунок 6

3.1.8 Сгенерировать сетку. Оценить ее качество

3.1.9 Выделить в дереве Steady State Thermal, указать внутреннюю поверхность трубки, затем ПКМ> Insert > Temperature. Установить значение температуры Magnitude tр,°С.

3.1.10 Проверить, чтобы режим выбора поверхности был активным surface select. Выбрать в  графическом окне объекты ПКМ> Select All. Отменить выбор внутренней части, оснований и поверхностей симметрии (всего 5 поверхностей).

Рисунок 7

По завершении выбора должно быть выделено 33 поверхности.

3.1.11 Установить режим конвекции ПКМ > Insert > Convection.

3.1.12 Ввести значение коэффициента теплоотдачи Film Coefficient = 5e-4 W/(mm^2-C) и температуры окружающей среды Ambient Temperature = t0, ºC

3.1.13 Выбрать еще раз те же 33  поверхности и установить режим излучения ПКМ > Insert > Radiation.

Установить параметры:

-температуру окружающей среды Ambient Temperature  t0, ºC;

-степень излучения Leave Emissivity  1;

- корреляция излучения – к окружающей среде  Leave Correlation = To Ambient.

3.1.14 Выполнить расчет Solve

3.1.15 Выделить в дереве построений в ветке термического анализа Температуру, Конвекцию и Излучение Temperature,  Convection и Radiation и перетащить их в ответвление Solution. В результате получаются ярлыки  для установки зондов реакции граничных условий. Нажать ПКМ> Evaluate All Results.

3.1.16 Оценить результаты энергетического баланса

Рисунок 8

3.1.17 Дать оценку теплопотерь, %

3.2 Часть 2

3.2.1 В Workbench загрузить еще один модуль Steady State Thermal и импортировать геометрию “Fin_Tube_WS6. stp”.

3.2.2 Выполнить действия пунктов с 3.1.3 по 3.1.8.

3.2.3 Оценить качество сетки без установки размера сетки и с установленным размером

3.2.4 Выделить в дереве построений  “Steady State Thermal”. Выделить внутреннюю стенку трубы и установить ПКМ > Insert > Temperature. Ввести параметры температуры: изменить значение с постоянного “Constant” на функцию -  “Function”, а затем в поле температуры magnitude ввести функцию. Назначить диапазон температур range. Данные брать в соответствии с вариантом (таблица 1).

Рисунок 9

Теперь, если выделить в дереве Temperature, то на графическом экране отражается изменение тепловой нагрузки

Рисунок 10

3.2.5 Выполнить пункты 3.1.10 и 3.1.11. Выделить оребренную поверхность (33 поверхности) и установить конвекцию.

3.2.6 Изменить значение в поле Film Coefficient на “Tabular (Temperature)”. Ввести температуру окружающей среды Ambient Temperature = t0, ºC. Ввести соответствующие значения в таблицу

Таблица 2

 

      Рисунок 11

3.2.7 Выполнить расчет Solve

Хотя в задаче есть температурные зависимости, наблюдается быстрая сходимость решения.

3.2.8 Выделить в дереве Temperature и Convection и перетащить их в ответвление решения.

Оценить результаты анализа и дать оценку теплопотерь. Охарактеризовать изменение температуры вдоль направления оси Y.

Сделать выводы по работе.

Оформить отчет. Отчет должен содержать исходные данные, промежуточные результаты операций (в виде рисунков) и конечные результаты работы

4 Вопросы к защите лабораторной работы

  1.  Уравнение статического термического анализа
  2.  Основные положения термического анализа
  3.  Назначение материала объекта при проведении статического термического анализа
  4.  Использование контактов в термическом анализе
  5.  Определение потока тепла через поверхность контакта
  6.  Виды и назначение тепловых нагрузок
  7.  Тепловые граничные условия. Основные предположения.
  8.  Температура.  Назначение температуры окружающей среды, рабочей температуры поверхности, температуры входа и выхода на рабочем участке.
  9.  Ввод функции температуры
  10.  Конвекция, способы задания.
  11.  Радиация. Опции команды.
  12.  Опции решателя. Зависимый расчет
  13.  Результаты постпроцессинга
  14.  Установка зондов реакций граничных условий


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21168. Микропроцессоры 1970-х – 1990-х годов: архитектура и эволюция 439.5 KB
  Новое поколение микропроцессоров ознаменовалось появлением 32битных процессоров 80386 1985 и 486SX 1989 которые могли адресовать до 4 Гбайт памяти и выполнять несколько задач одновременно. Каждая ячейка хранит часть или все данное или команду и с ней ассоциируется идентификатор называемый адресом памяти или просто адресом. Центральный процессор последовательно вводит или выбирает команды из памяти и выполняет определяемые ими задачи. К середине 1990х годов однако из магнитных устройств внешней памяти остались в использовании...
21169. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ 43.5 KB
  По требованию к точности манипулирования различают роботы нормальной точности с погрешностью позиционирования в зависимости от грузоподъемности 01 5 мм прецизионные роботы с погрешностью 5 мкм и ультрапрецизионные роботы с погрешностью до 003 мкм. Роботы нормальной точности применяют для манипулирования транспортными или технологическими кассетами перекладки полупроводниковых пластин из кассеты в кассету на химических операциях. Прецизионные роботы манипулируют пластинами или кристаллами на операциях посадки кристалла разводки...
21170. РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ 185.5 KB
  1 РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ Потребляемая мощность всей платы будет зависеть от потребляемой мощности отдельных элементов и количества микросхем.1 Потребляемая мощность микросхем Тип микросхемы Количество корпусов Мощность потребляемая одним корпусом мВт Мощность потребляемая всеми корпусами мВт MAX1106 1 445 445 AD232 1 696 696 где Pпотр – потребляемая мощность всей платы P – мощность одной микросхемы n – количество микросхем. В итоге: Pпотр = 445 696 = 1141 мВт Таким образом потребляемая мощность платы составила всего около 1 Вт...
21171. Расчет надежности 22 KB
  Для выполнения приближенного расчета необходимо знать усредненные значения интенсивностей отказов λi типовых элементов и число Ni элементов определенного типа в каждой группе. В группе объединяются элементы которые имеют примерно одинаковую интенсивность отказов. Для полного расчета надежности необходимо иметь данные о реальных режимах работы элементов устройства и о зависимостях интенсивностей отказов элементов от температурных электрических и других режимов и нагрузок.
21172. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ САПР ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 52 KB
  Цель САПР это повышение качества проектов снижение материальных затрат сокращение сроков проектирования и ликвидация тенденции к росту числа проектировщиков а также повышение производительности их труда. Для САПР характерно системное использование ЭВМ при рациональном распределении функций между человеком и ЭВМ. Предметом САПР являются формализация проектных процедур структурирование и типизация процессов проектирования постановка модели методы и алгоритмы решения проектных задач способы построения технических средств создания...
21173. Современная память 2.18 MB
  В скором будущем будет также стандартизирована память DDR2800 в связи с чем многие материнские платы уже поддерживают этот тип памяти. Остальные же типы памяти не стандартизированы и не факт что материнская плата способна поддержать эту память на заявленной тактовой частоте. Возникает вопрос: почему же производители памяти соревнуясь друг с другом стараются выпускать все более скоростную память Ответ довольно прост это маркетинговый ход. Но так ли это на самом деле и действительно ли производительность памяти целиком и полностью...
21174. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 74 KB
  Выбор типа конструкции блока и варианта конструктивного исполнения модуля I уровня ячейки. Выбор компоновочной структуры ячеек ЭА. Выбор типа конструкции ПП. Выбор класса точности ПП.
21175. Тепловые воздействия на конструкции СВТ 175.5 KB
  Комплекс технических средств реализующих тот или иной способ отвода тепла от аппаратуры в окружающую среду назовем системой охлаждения. В зависимости от характера контакта теплоносителя с поверхностью источника тепла различают системы охлаждения прямого и косвенного действия. Воздушные жидкостные и испарительные системы охлаждения могут работать по разомкнутому и замкнутому циклу. В первом случае отработанный нагретый теплоноситель удаляется из системы и больше в ней не используется во втором случае отработанный теплоноситель охлаждается...
21176. Тест начального включения — POST 67.5 KB
  POST выполняет тестирование процессора памяти и системных средств вводавывода а также конфигурирование всех программноуправляемых аппаратных средств системной платы. Часть конфигурирования выполняется однозначно часть управляется джамперами системной платы но ряд параметров позволяет или даже требует конфигурирования по желанию пользователя. Однако для использования такой диагностики необходима вопервых сама платаиндикатор и вовторых словарь неисправностей таблица специфическая для версии BIOS и системной платы. Если не...