ANSYS 热分析培训 第九章

第9章相变分析HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-2本章简介•相变–术语–理论–材料特性–瞬态分析指南•例题-飞轮的铸造–使用热焓材料特性–通用后处理–时间历程后处理HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-3相-物质的一种分子结构形态，均匀同性。–有三种基本的相:相变-系统能量的变化(增加或减少)可能导致物质发生相变变。–通常的相变过程称为凝固，溶化，汽化或液化。术语气体流体固体HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-4ANSYS应用性•ANSYS涉及相变的重要有限元应用有:–液体的凝固或冻结–固体的溶化•液-汽相变问题需要在热传递分析后进行流体分析。•许多计算流体动力学软件可以处理液-汽流动和相变。•相变分析必须使用瞬态热分析求解。•本章主要讲解典型的相变问题：金属的凝固过程。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-5潜热•当物质相变时，温度保持不变。•例如，冰在0°C准备溶解。–热量输入冰中，冰转化为水。–冰完全转化为水时，温度还是0°C。•当温度不变时，热量到哪里去了?–热量在物质粒子状态改变过程中被吸收了。–在物质相变时需要的热量称为溶化的潜热。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-6热焓•相变分析必须考虑材料的潜热。•热焓材料特性(ENTH)用来计入潜热。•热焓由密度和比热得出，在相变分析中应作为材料特性输入。•模型中其它材料应输入密度和比热数值。•只要定义材料的比热和密度或热焓；而非全部。•热焓数值随温度变化。因此，热分析是非线性的。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-7热焓(续)•在相变分析中，热焓数值必须作为材料特性输入。•经典(热动力学)热焓数值单位是能量单位，为kJ或BTU。单位热焓单位为能量/质量，为kJ/kg或BTU/lbm。•ANSYS热焓材料特性单位为能量/体积，为KJ/m3或orBTU/ft3.•如果热量/体积热焓数据在某些材料中不能使用时，它可以用密度、比热和物质潜热得出。cdTHTcH:toaccording)(retemperatuand),(heatspecific),(densitytorelatedis,Enthalpy,HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-8相变•在相变分析中，固体和液体并存的情况下，温度会有很小的变动。•物质完全呈现液态的温度(液体温度)为Tl。•物质完全呈现固态的温度(固体温度)为Ts.•在这两个温度间，潜热效果包括进有限元公式中。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-9潜热和比热的关系潜热TlTsH“模糊区”Ts=固体温度Tl=液体温度注:本图中,Tl-Ts很小。对于纯材料，Tl-Ts应该为0。相变时热焓随温度变化十分迅速。THEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-10控制方程系统产生相变时，其控制方程如下:此处计入相变dVNNcCQTKTCTtt.t其中：态热分析方程如下：当求解相变问题时，瞬不随相变改变HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-11相变分析的求解进行相变分析时，使用:–打开时间积分的瞬态分析。–初始时间步长和最小时间步长都较小。–自动时间步。–低阶单元类型(PLANE55或SOLID70)。–如果选择的高阶单元，打开对角化比热矩阵选项。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-12相变分析的求解(续)•在求解相变问题时，可以使用以下方法改进收敛性:1.向后欧拉时间积分(向后微分)。瞬态积分参数(theta)为1.0。这在求解控制打开时是缺省设置。2.线性搜索工具,因为相变是高度非线性问题。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-13后处理相变分析的结果可能包括:–温度vs.时间(时间历程图)。–完全相变所需时间(溶化或凝固时间)。–物质在任何时间间隔溶化/凝固的预测(通过温度云图)。这些结果对评估相变过程中的设计参数很有用(如，在铸造过程中的溶化材料或壁厚)。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-14例题-飞轮铸造分析问题描述:对铝制飞轮的铸造过程作相变分析。飞轮是将溶解的铝注入沙模中制造的。分析目的:研究飞轮凝过程。为了说明上述的概念和理论，我们研究一些飞轮铸造的凝固过程:ANSYS命令流文件在附录B中。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-15例题-飞轮铸造分析飞轮铸造例题-指南–部件在圆柱形沙模(高20厘米，半径25厘米)的中心。–铝在750°C时注入沙模。–沙模初始温度为25°C。–模型顶面和侧面与环境通过自由对流交换热量。–环境温度为30°C，侧面换热系数为7.5W/m2-°C，顶面换热系数为5.75W/m2-°C。–铸造模型为轴对称。–沙的热材料特性假设为常数，铝随时间变化。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-16例题-飞轮铸造分析飞轮几何尺寸:HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-17例题-飞轮铸造分析沙模几何尺寸:HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-18例题-飞轮铸造分析飞轮模型HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-19例题-飞轮铸造分析沙模模型:HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-20二维轴对称模型例题-飞轮铸造分析HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-21沙模特性(常数):热传导系数:0.346W/m-°C密度:1520kg/m3比热:816J/kg-°C铝的热传导系数:温度(C)KXX(W/m-C)100206200215300228400249530249800290例题-飞轮铸造分析HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-22材料特性图:材料2的KXXvs.时间变化图例题-飞轮铸造分析HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-23•铝的热焓数据没有直接给出，但我们有如下数据可以计算热焓:•定义热焓材料特性:–选择Ts=695°C和Tl=697°C(在液体和固体两相间给出2°C过渡区域)。PropertyValueMeltingPoint696CDensity2707kg/m3Cs,SolidSpecificHeat896J/kg-CCl,LiquidSpecificHeat1050J/kg-CL,LatentHeat3956440J/kg(orfromLxDensity)1.0704e9J/m3例题-飞轮铸造分析HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-24例题-飞轮铸造分析在固体温度以下:在固体温度时:lssTTCHTT-)(lssssTTCHTT-HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-25例题-飞轮铸造分析对于相变区域:slavglsavgTTLCCCCCC-**:ntransitiosolid-to-liquidforthe,heat,specificequivalentanfindtoL,heat,latenttheand2:heatspecificaveragetheUseHEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-26例题-飞轮铸造分析在固体和液体温度之间:在液体温度时:超过液体温度时:)(*sslsTTCHHTTT-)(*slsllTTCHHTT-)(llllTTCHHTT-HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-27例题-飞轮铸造分析T1HHsHlCsClC*HsTsTlT2TT潜热(曲线下的区域)LandcdTρ采用HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-28例题-飞轮铸造分析使用这些关系生成热焓数值，结果为:Temperature(C)Enthalpy(ENTH)(J/m3)006951.6857E96972.7614E910003.6226E9HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-29例题-飞轮铸造分析绘制材料2(铝)的热焓曲线:HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-30例题-飞轮铸造分析•本模型使用一种单元类型:PLANE55,轴对称。•两种材料:铝(带有相变)和沙(恒定材料特性).•使用静态分析确定初始温度:–沙模为25°C–铝750°C(同样可以使用IC命令得到)•沙模外侧面和顶面有对流。•在底面和中心线无边界条件(绝热)。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-31例题-飞轮铸造分析•瞬态载荷步在删除初始温度后开始。•打开时间积分。使用向后欧拉时间积分。•打开线性搜索工具。•终止时间为2400秒(40分)。•初始时间步为0.01秒。最小和最大时间步分别设为0.0001和100秒。•打开自动时间步长。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-32例题-飞轮铸造分析使用时间历程后处理器查看时间步。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-33例题-飞轮铸造分析使用时间历程后处理器绘制铝块中几个位置的温度变化(T1,T2,T3andT4):HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-34例题-飞轮铸造分析使用时间历程后处理器绘制沙模上几个位置的温度变化:HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-35例题-飞轮铸造分析通用后处理器可以用来观察材料凝固前的情况。操作如下:–设置两个等值线的值，一个时固体温度(695°C),一个超过最高温度(900°C)。–在节点温度图上，凝固的材料接近蓝色。红色代表液体或正在相变的材料。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-36例题-飞轮铸造分析•在时间=656秒时，显示只有最细部分的材料凝固了:HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014459-37例题-飞轮铸造分析在时间=856秒时,显示大部分材料已经凝固:HEATTRANSFER6.0培训手册March