ANSYS辐射仿真模拟

玫瑰有刺

　　引言
　　辐射传热过程是是借助于电磁波的能量传播过程，是由物体内部微观粒子在运动状态改变时所激发出来的。由于辐射传热引起的热流与物体表面热力学温度的4次方成正比，因此辐射传热分析是高度非线性的。借助于温度场数值模拟仿真技术，可以了解研究热辐射规律，对于炉内传热的合理设计十分重要，对于高温炉操作工的劳动保护也有积极意义。
　　本文基于大型有限元软件ANSYS对辐射传热过程温度场模拟仿真，随着ANSYS版本不断更新，核心技术不断完善，其稳态瞬态热分析、辐射热分析、相变分析、热应力分析和流体热分析功能不断强大，更能显示其计算精度与计算速度的良好兼顾性。

　　1 辐射传热过程温度场模拟仿真
　　1.1研究对象
　　本文研究的同轴圆柱体尺寸如图所示：

　　图1 研究模型

　　1.2基本假设
　　在复杂的辐射传热过程实际条件下，抓住主要方面模拟实验情况，做一些合理化的假设，但同时又能保证其结果的准确性。本文做如下假设：
　　1)由于两个圆柱体足够长，将问题简化为平面问题;
　　2)考虑到整个辐射传热过程为封闭系统，不需设置空间节点。

　　1.3初始条件
　　假设圆柱体是瞬时传热的。圆柱体为已知初始均匀温度场，即:
　　T(x,y,z,t=0)=T
　　T为圆柱体温度，即100°C.

　　1.4 边界条件
　　传热是在圆柱体内径行的的，所以把外圆柱体当做边界条件。
　　外圆柱体的初始温度:100°C
　　辐射率:1

　　两圆柱体的辐射传热用Newton冷却定律描述:

　　式中:α为对流换热系数，α=65 W/m2·℃;Tf为液态金属的特征温度;Tw为砂型边界温度。

　　辐射传热后，两圆柱体之间的导热主要以不稳定导热方式进行。三维不稳定热传导方程为:

　　式中:ρ为密度，kg/m3;c为定压比热容，J/(kg·℃);t为温度，℃;T为时间，s;λ为热导率，W/(m·℃);Q为内热源密度(此处为金属液凝固时释放的潜热)，W/m3。
　　因为整个辐射传热过程为封闭系统，所以不必考虑两圆柱体与外界的传热。

　　1.5材料性能参数

　　材料性能参数


　　1.6 建立ANSYS有限元模型

　　根据圆柱体结构特征，定义其ANSYS单元类型为Thermal Solid实体单元;而后采用ANSYS中的实体建模工具构建其模型，建模完毕对铸件局部采用映射(Mapped)方式网格剖分。其他部分则利用智能网格划分器自由剖分，以达到所需部位网格细化的目的，从而兼顾计算精度和运算速度。铸件划分网格后的有限元模型如图2所示。

　　图2.划分网格

　　1.7加载求解
　　指定分析类型为Steady-state;先作稳态分析，确定本文第1. 3节初始条件及本文第1. 4节边界条件，设置稳态分析时间步长为O.Ols，施加温度载荷、对流载荷，得到初始温度场分布，将其作为整个瞬态分析过程的初始温度场;打开时间积分选项，设置计算终止时间为16200s，进行瞬态分析，着重研究该时间段内温度场的变化规律。


　　1.8模拟结果及分析

　　图3


　　图4


　　图5

　　从上面分析可以看出，如果不采取措施，实验结果可能不准确。使结果不准确的主要因素是多方面的，例如它们的吸收率(或反射率)、物体的形状和大小及其相互间的位置与距离的影响。
　　因此可以采用隔热性能良好的材料，避免将由壁面 以对流和辐射两种方式散失于周围环境中的热量。
　　从本例建立有限元模型、设置材料性能参数等可知，可以选择适当壁厚、绝热性能良好的材料，来控制零件辐射传热过程温度场分布。

　　2 结语
　　本文在结合辐射传热过程的基础上，给出一种对其温度场应用ANSYS软件模拟仿真的简单方法。该方法充分利用零件的结构特征，选取最恰当的单元类型，不但计算简单，省时省力，而且误差较小，精度较高，从而达到了兼顾计算精度和计算时间的模拟要求;该模拟结果对于炉内传热的合理设计十分重要，对于高温炉操作工的劳动保护也有积极义。

　　依据ANSYS模拟温度场，对于炉内传热的合理设计十分重要，对于高温炉操作工的劳动保护也有积极意义。当某系统需要保温时，即使此系统的温度不高，辐射传热的影响也不能忽视。如保温瓶胆镀银，就是为了减少由辐射传热造成的热损失。


转自：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... rxjEkzXkdGIrHAGf#rd