Abaqus在热分析中的应用_文恒教育

2017-10-28 15:42:29 whchedu 0

1.前言

热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如热量的获取或损失、热梯度、热流密度等。热分析在许多工程应用中扮演重要角色,如内燃机、涡 轮机、换热器、管路系统等。Abaqus热分析类型包括稳态传热和瞬态传热,传热方式有热传导,热对流,热辐射三种。

2.问题描述

分析电饭煲内的米饭在加热完成后放置6个小时,锅体及米饭的最终温度。以一套双层锅体双层锅盖的电饭煲的设计为例说明Abaqus/Standard在热分析中的应用。

3.计算模型

3.1.有限元模型建立

网格划分在Hypermesh中完成,注意网格尺寸,以保证合适的单元数目保证计算时间和计算精度。

有限元模型主要包含以下几个部分:内层锅体、外层锅体、锅底、内层锅盖、外层锅盖、米饭、内外层锅体之间的空气、内外层锅盖之间的空气以及米饭和内层锅盖之间的空气,见图1。

模型中多个接触区域采用了共点划分,如:米饭和锅体之间、米饭和空气之间、空气和锅盖之间,这些地方采用共点的方式来实现他们之间的热传导,在不影响计算结果的情况下大大节省了设模型的时间,也使模型简单化。

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图1 有限元模型(剖视图)


3.2.材料

模型中所用材料参数包含:密度、比热、热传导率和发射率。

3.3.传热方式和加载

3.3.1 传热方式:

热传递是通过热传导、对流和热辐射三种方式来实现。在实际的传热过程中,这三种方式往往是伴随着进行的。模型中通过多种设置实现这三种热传递方式。

传导—热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一系统的现象叫做热传导,热传导是固体中热传递的主要方式。模型中通过两种方式来实现热传导。

1)共点网格:模型中除了锅盖和锅体之间的接触外其他的的接触部位假设完 全接触,而在接触表面不存在热阻,通过共点来实现模拟。

2)接触对:锅盖与锅体之间的接触部分通过添加接触对来模拟二者之间的热传导,假设二者之间存在0.1mm的空气间隙,通过计算得到热阻系数。


热阻系数=空气热传导率/空气间隙


对流—液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程,对流是液体和气体中热传递的特有方式,气体的对流现象比液体明显,对流可分 自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生,是由于温度不均匀而引起的,强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。

1)外层锅体、锅底以及外层锅盖的周围空气中存在热对流,这种对流通过*FILM的设置实现。

2) 米饭和内层锅盖之间的空气中存在自然对流。这部分的对流通过增大该部分空气的热传导系数来模拟(这部分空气的热传导系数为普通空气的热传导系数的7倍)。

3)内层锅体和外层锅体之间的空气以及内层锅盖和外层锅盖之间的空气中也存在自然对流,但是这部分的空气很狭窄,从而对结果的影响不大,所以在模型忽略了这两处的对流。

辐射—物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领,这种热传递的方式叫做热辐射。

1)外层锅体、锅底以及外层锅盖和周围环境之间存在热辐射,这种辐射通过*radiate的设置实现,该设置中的环境温度为23℃,并根据材料给出适当的发射率的值。

2)内部锅体和外部锅体之间的空腔、内层锅盖与外层锅盖之间的空腔以及米饭和内层锅盖之间的空腔内都存在热辐射,见图2。这些热辐射也在模型中被考虑。

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图2 内部热辐射区域


3.3.2 加载:

模型加载分两步:

第一步,稳态传热过程,使米饭温度达到恒定100℃。

第二步,传热在时间域上的分析,考虑模型的整体热量随时间散失。初始温度分布为第一步计算的结果。模型经历6个小时的散热,求解温度分布。

4.结果分析

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图3. 6小时后米饭的温度分布

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图4.锅体在稳态分析完成后的温度分布

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图5. 6小时后锅体的温度分布

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图6. 瞬态分析过程中米饭平均温度-时间曲线


从上图各结果中可以看出,放置6个小时候后米饭的最高温度为36.9℃,发生在米饭的中央位置,此时米饭的平均温度约为34℃。