Transitori Tèrmic

INTRODUCCIÓ A L’ANSYS: TRANSITORI TÈRMIC

MÈTODES NUMÈRICS (ENGINYERIA INDUSTRIAL)

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Transitori Tèrmic

Existeixen dues vessants principals per realitzar l’estudi d’un transitori tèrmic:

(1) Les condicions de contorn no varien durant el període de temps estudiat.

(2) Les condicions de contorn poden variar durant el període de temps estudiat.

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Procediment d’estudi

(1) Condicions de contorn constants durant el període d’estudi: Un cop introduïda la geometria i el mallat de la peça s’han d'introduir les

condicions de contorn. Les més comuns són les següents:

• Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Temperature

• Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Heat Flow

• Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Convection

• Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Heat Flux

• Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Heat Generation

Posteriorment, s’han d’imposar les condicions inicials

• Si tota la peça es troba a una mateixa temperatura es pot emprar la comanda:

Solution > Define Loads > Settings > Uniform Temp

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Quan es tenen els nodes desitjats seleccionats, per fixar la temperatura inicial es pot emprar:

Solution > Define Loads > Apply > Initial Condit’n > Define

Si la peça presenta diverses zones amb temperatures inicials diferents, es pot emprar la següent eina:

Utility Menu > Select > Entities...

Una forma d’actuar consisteix en seleccionar les àrees desitjades i posteriorment seleccionar els nodes que la conformen amb la comanda:

Utility Menu > Select > Everything Below > Selected Areas

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Un cop introduïdes les condicions de contorn i inicials, és necessari definir el temps d’estudi i altres característiques:

Solution > Analysis Type > New Analysis > Transient > FullSolution > Analysis Type > Sol’n Controls

Nombre d’iteracions a

relitzar

Temps en finalitzar l’estudi

Necessari per enregistrar

totes les dades

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Finalment, només queda resoldre el problema:Solution > Solve > Current LS

Per visualitzar la variació de la temperatura en funció del temps, s’ha de recórrer a la comanda Time History Postproc, obtenint un quadre de diàleg com el següent:

Permet afegir els punts de la malla desitjats

Permet visualitzar el gràfic de les

variables seleccionades

a la llista

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

(2) Condicions de contorn no constants durant el període d’estudi:

Fa referència a casos on existeixen condicions de contorn diferents depenent de l’interval de temps.

La forma de procedir és similar pel que fa a la resolució del cas anterior en el que es refereix a condicions de contorn, condicions inicials i tractament del temps (Solution > Analysis Type > Sol’n Controls)

Per cada conjunt de condicions de contorn cal definir els paràmetres anteriors (les condicions de contorn i inicials, si s’escau, i el temps final) i posteriorment enregistrar-lo mitjançant la comanda:

Solution > Load Step Opts > Write LS File

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Posterioment es pot definir el conjunt de condicions de contorn que segueixen a l’anterior i definir el temps final d’estudi corresponent aquest conjunt i el nombre d’iteracions a fer.

De la mateixa manera que anteriorment cal enregistrar-lo. Es recomana numerar els diferents conjunts de condicions de contorn en ordre ascendent, començant per 1.

Un cop s’han definit tots els conjunts de condicions de contorn del problema, per resoldre cal fer ús de la comanda:

Solution > Solve > From LS Files

Per visulalitzar la solució es procedeix de manera anàloga al cas anterior. Nota: consulteu com enregistrar funcions al guió 3.

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Exemple de transitori tèrmic Disposem d’una conducció quadrada de maó amb aletes en el seu interior,

per on circula un fluid que es vol escalfar. La conducció de maó disposa de cables elèctrics de coure que aporten calor per efecte Joule. Cal considerar una generació de calor interna de 105 kW/m3 i un flux de calor en les parets interiors de la conducció de 36 W/m2. La conducció està protegida per una capa aïllant de fibra de vidre de 6 mm d’espessor. Es transfereix calor per convecció amb el medi exterior, que es troba a 26ºC, amb un coeficient de convecció h=18,62 W/m2K. Es proposa l’estudi dels primers 80.000 segons del transitori, suposant que el coure té una temperatura inicial de 25ºC i el maó i la fibra de vidre una temperatura inicial de 30ºC.

Les propietats dels materials es resumeixen a la següent taula:

MaterialConductivitat tèrmica

(W/m K)Calor específica

(J/kgK)Densitat (kg/m3)

Coure (1) 203 350 9826

Maó (2) 0,61 795 1884

Fibra de vidre (3) 0,10 813 27

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Estudiar l’evolució de la temperatura amb el temps per als punts: • Punt A: (45 mm, 90 mm)• Punt B: (92 mm, 116 mm)• Punt C: (28 mm, 100 mm)S’ha pres com a origen de coordenades el centre del quadrat.

Maó (2)

Fibra de vidre (3)

Coure (1)

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Resolució: Triar l’element finit adequat (PLANE 55)

Definir les propietats dels materials: Preprocessor > Material Props > Material Models

Generar la geometria

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Mallar la peça

Implementar les condicions de contornSolution > Define Loads > Apply > Thermal > ConvectionSolution > Define Loads > Apply > Thermal > Heat FluxSolution > Define Loads > Apply > Thermal > Heat Generation

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Seleccionar el tipus d’anàlisi:

Solution > Analysis Type > New Analysis > Transient > Full

Introducció de les dades corresponents al temps:

Solution > Analysis Type > Sol’n Controls

• Time at end of loadstep: 80.000 segons (Les unitats de temps han de ser coherents amb la resta d’unitats emprades en el problema)

• Number of substeps: 200

• Max nº of substeps: 200

• Min nº of substeps: 200

• Frequency: Write every substep

Resolució del problema:

Solution > Solve > Current LS

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Obtenció dels resultats (Time History Postproc)

Punt A: (45, 90)

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Punt B: (92, 116)

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Punt C: (28, 100)

Transitori Tèrmic

MÈTODES NUMÈRICS

Gràfic conjunt