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℃-10-1010焓J/m^3037.8e679.8e6121.8e6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,1,4200mp,dens,1,1000mptemp,1,-10,-1,0,10mpdata,enth,1,1,0,37.8e6,79.8e6,121.8e6！焓值定义mp,kxx,2,70mp,dens,2,7833mp,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-3r2=60e-3r3=54.41e-3r4=65e-3h1=80e-3h2=85e-34、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3vatt,2,,1！赋予2号材料属性vsel,,,,4！体积4vatt,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26、分网esize,2.5e-3！单元尺寸2.5e-3vsweep,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100sautots,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,,,,16,17asel,a,,,2asel,a,,,7！选择对流边界的面编号sfa,all,,conv,12.5,-10！施加对流asel,,,,1asel,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=521plnsol,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：/post26n1=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,,t2nsol,4,n3,temp,,t3plvar,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