Решение тепловых задач в ANSYS
Сляб толщиной h = 200 мм, шириной b = 1 м и длиной l = 6 м из стали Ст.3 помещен в проходную печь скоростного нагрева длиной 50 м с одноступенчатым режимом нагрева. Скорость продвижения слябов в печи – 1 м/мин. Теплообмен между газовой средой печи и слябом будем рассматривать как конвективный (коэффициент теплоотдачи учитывает теплообмен излучением). Расположение горелок в печи таково, что температура газовой среды над слябом T в = 1250°С при коэффициенте теплоотдачи aв = 500 Вт/(м2°К); а под слябом – температура среды T н =1100°С при коэффициенте теплоотдачи aн = 300 Вт/(м2°К); на боковых поверхностях сляба температура среды одинаковая и равна T б =1200°С, но коэффициенты теплоотдачи различны. На одной боковой поверхности коэффициент теплоотдачи a1 =150 Вт/(м2°К), на другой – a2 =100 Вт/(м2°К).
Требуется определить зависимость изменения температуры по поперечному сечению сляба во времени при нагреве слябов "холодного посада" (20°С) и "горячего посада" (800°С).
В связи с тем, что длина сляба превышает ширину и высоту, а также из-за несимметрии приложения граничных условий к сторонам сляба задачу будем решать в плоской 2-D постановке с рассмотрением полного поперечного сечения. Будем считать, что в направлении длины сляба (поперек печи) теплообмен отсутствует – q = 0. Временной интервал, для которого выполняется решение задачи – 50 мин.
Расчетная схема нагрева сляба представлена на рис. 1.
|
| Рис.1. Схема нагрева сляба в проходной печи |
В связи с тем, что будет решаться нестационарная тепловая задача для ее решения требуется задание трех теплофизических величин – плотности, теплоемкости и теплопроводности материала. Теплофизические параметры стали Ст.3 необходимые для расчета сведены в табл. 1.
Таблица 1
Теплофизические параметры стали Ст.3
| t, °С | |||||||||
| Теплопроводность, Вт/(м К) | |||||||||
| Плотность, кг/м3 | |||||||||
| Теплоемкость, Дж/(кг К) |
Этапы подготовки задачи и ее решения
Задание типа задачи – тепловой анализ (шаг не обязателен)
ANSYS Main Menu – Preferences –Thermal OK
Задаем имя задания – термический анализ (Thermal analysis).
Utility Menu – File – Change Title – [/TITLE] = Thermal analysis OK
Определение типа конечных элементов – 2-D элементы с температурной степенью свободы.
ANSYS Main Menu – Preprocessor – Element Type – Add/Edit/Delete – Add
Выбираем Thermal Solid – Quad 4node 55
В окне Element Types появляется Type 1 Plane 55.
Задаем свойства решаемой задачи – задача плоская.
Options
В появившемся окне Plane 55 element type options определяем
Element behavior K3 – Plane OK
Закрываем окно Element Types Close
Задание свойств материала сляба
ANSYS Main Menu – Preprocessor – Material Props – Material models
В левой части окна Define Material Model Behavior – Material Models Defined подсвечено Material model number 1.
В правой части окна Define Material Model Behavior – Material Models Available раскрываем закладку Thermal после чего раскрывается список теплофизических свойств материала, которые могут быть заданы в расчете.
Задаем зависимость коэффициента теплопроводности сляба KXX от температуры. Раскрываем Conductivity – Isotropic и в появившемся окне Conductivity for Material Number 1 нажимаем Add Temperature и в соответствии с данными табл. 1, относящимися к зависимости коэффициента теплопроводности от температуры, заполняем пустые клетки окна. После этого нажимаем Graph для просмотра графика зависимости коэффициента теплопроводности от температуры и далее OK для выхода из меню.
Задаем значение теплоемкости С сляба. Раскрываем Specific Heat и вписываем значение теплоемкости материала. Для выхода из меню жмем OK.
Для задания плотности материала сляба DENS раскрываем Density и вписываем значение плотности. Выход из меню – OK. Все необходимые для расчета тепловые свойства сляба заданы.
Закрываем окно Define Material Model Behavior путем Material – Exit.
Построение геометрической модели.
В связи с тем, что все теплофизические свойства материалов заданы в СИ, размеры модели необходимо задавать в метрах.
Построение модели сляба.
ANSYS Main Menu – Preprocessor – Modeling – Create – Areas – Rectangle – By Dimensions
X1 = 0; X2 = 1,0; Y1 = 0; Y2 = 0,2 OK
Не забываем сохранять задачу – SAVE DB!
Создание конечноэлементной модели.
Для создания упорядоченной сетки разобьем все линии модели на элементы длиной 25 мм.
ANSYS Main Menu – Preprocessor – Modeling – Meshing – MeshTool
справа появляется меню MeshTool.
В подменю Size Control нажимаем Line Set и в появившемся справа меню Element Size on Picked Lines нажимаем Pick All. В новом меню устанавливаем параметр SIZE = 0,025. Для выхода из меню OK.
В правом меню MeshTool в подменю Mesh устанавливаем Areas, Mapped и далее Mesh. Указываем на модель сляба и в левом меню Mesh Area OK.
SAVE DB
Решение задачи.
Для постановки задачи на решение необходимо перейти в решатель ANSYS
ANSYS Main Menu – Solution.
Задание типа анализа – нестационарный тепловой
ANSYS Main Menu – Solution – Analysis Type – New Analysis – Transient OK OK
Сдвиг шкалы температур относительно абсолютной шкалы (в нашей задаче шаг необязателен, однако при расчете теплопередачи излучением задавать необходимо)
ANSYS Main Menu – Solution – Analysis Options – [TOFFSET]=273
Приложение тепловых граничных условий – конвективного теплообмена ко всем поверхностям сляба.
ANSYS Main Menu – Solution – Define Loads – Apply – Thermal – Convection – On Lines
указываем на левую стенку сляба и нажимаем OK в меню Apply CONV on Lines
в появившемся окне устанавливаем значения коэффициента теплоотдачи для левой стенки VALI = 100, и температуры окружающей среды VAL2I = 1200.
Повторяем процедуру приложения конвективного теплообмена к остальным поверхностям с новыми значениями коэффициента теплоотдачи и температуры среды на основании исходных данных.
Для решения нестационарной задачи необходимо задать начальные условия – температуру сляба в начальный момент времени.
Для "холодного" посада:
ANSYS Main Menu – Solution – Define Loads – Apply – Thermal – Temperature – Uniform Temp – [TUNIF]=20 OK
Для "горячего" посада:
ANSYS Main Menu – Solution – Define Loads – Apply – Thermal – Temperature – Uniform Temp – [TUNIF]=800 OK
Установка режима сохранения всех рассчитываемых данных на каждом шаге нагружения
ANSYS Main Menu – Solution – Load Step Opts – OutputCtrls – DB/Results File – FREQ = Every Substep OK
Установка времени расчета задачи и параметров интегрирования.
ANSYS Main Menu – Solution –Load Step Opts – Solution Ctrl – Time / Frequenc – Time-Time Step – [TIME] = 3000 (50мин х 60 с); [DELTIM] = 10; [AUTOTS] = ON; minimum time step size = 0,025; maximum time step size = 20; [KBC] = Stepped OK