Table Of Content

ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ в ANSYS Mechanical Новаковский Геннадий Станиславович ведущий технический специалист ООО Делкам-Урал [email protected] 1.1 Способы моделирования лучистого теплообмена В пакете ANSYS реализованы четыре способа моделирования задач лучистого теплообмена. 1. Одномерный элемент лучистой связи LINK31(описание в разделе LINK31 - Radiation Link). Используется для простых задач с излучением между двумя точками или несколькими парами точек. Площадь эффективной излучающей поверхности, угловой коэффициент и степень черноты могут задаваться реальными константами для каждой точки излучения. 2. Элементы с поверхностным эффектом - SURF151 для двумерного и SURF152 для трехмерного вариантов лучистого теплообмена между поверхностью и точкой (описание в разделах SURF151 - 2-D Thermal Surface Effect и SURF152 - 3- D Thermal Surface Effect ). Угловой коэффициент излучения между поверхностью и точкой может быть задан реальной константой или вычисляться по ориентации базисного элемента и расположению добавочного узла. 3. Метод матрицы излучения (описание в разделе Radiation Matrix Method). Используется для более сложных задач излучения, включающих две или более излучающих поверхностей. В данном методе генерируется матрица эффективных проводимостей, после этого матрица используется в тепловом анализе в качестве суперэлемента. 4. Метод, использующий алгоритм диффузного отражения (описание в разделе Radiosity Solution Method). Применяется при решении задач с трехмерным вариантом лучистого теплообмена между двумя и более поверхностями. Метод вычисляет угловые коэффициенты для помеченных излучающих поверхностей путем использования метода полукуба и после этого решает матрицу диффузного излучения (radiosity matrix) сопряжено с задачей теплопроводности. Перечисленные способы могут быть использованы как в стационарном, так и в нестационарном анализах. Поскольку излучение – процесс нелинейный, то решение всегда будет итерационным. 1.2 Использование элемента лучистой связи LINK31 LINK31 – двухузловой, нелинейный элемент, предназначенный для вычисления лучистого теплового потока между двумя точками. Для данного элемента в виде реальных констант необходимо задать следующие величины: Эффективная площадь поверхности излучения Угловой коэффициент Степень черноты Постоянная Стефана- Больцмана. Ввод констант осуществляется командой R или через диалоговое окно, имеющего маршрут: Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete. Применение элементов LINK31 в тепловом анализе лучистого теплообмена ограничивается простыми задачами, в которых угловые коэффициенты известны или легко вычисляются вручную. 1.3 Использование элементов с поверхностным эффектом Удобным способом моделировать тепловое излучение между поверхностью и точкой заключается в использовании элементов с поверхностным эффектом, наложенных на поверхность, испускающую или поглощающую излучение. Элементами данного типа являются: для двумерных моделей – элемент SURF151, для трехмерных моделей – элемент SURF152. Способность данных элементов участвовать в лучистом теплообмене активизируется опциями задания типа элемента KEYOPT(5), KEYOPT(9) в команде ET или в соответствующей строке диалогового окна. Угловой коэффициент излучения может быть задан реальной константой (по умолчанию 1) с помощью опции KEYOPT(9) = 1, или вычисляться (при KEYOPT(9) = 2 или 3) исходя из ориентации элемента и расположения добавочного узла. Пример: Лучистый теплообмен поверхности тела с равномерно нагретой внешней средой. Задаются KEYOPT(5) = 1, KEYOPT(9) = 1, реальная константа элемента SURF151/SURF152 – угловой коэффициент (form factor) принимается равным 1, в добавочном узле задается температура среды (фиксированным значением или табличной функцией), в модель материала поверхности вводится значение степени черноты (команда MP или GUI: Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models). Данный способ применим в том случае, когда исключается теплообмен между участками внешней поверхности. В противном случае, когда отдельные участки внешней поверхности обращены друг к другу, следует использовать метод матрицы излучения для незамкнутой полости, описание которого приведено в следующей главе. Часто тепло от внешней среды к телу передается как излучением, так и конвекцией. Данный подход при соответствующем подборе опций элемента SURF151/SURF152 позволяет задать оба вида теплообмена одновременно. Способ задания конвективного теплообмена с внешней средой описан выше (п. 3.1.3 на стр. Ошибка! Закладка не определена.). 1.4 Использование метода матрицы излучения Данный подход реализован в модулях ANSYS/Multiphysics, ANSYS/Mechanical и ANSYS/Thermal. Он предназначен для сложных задач диффузного лучистого теплообмена между несколькими произвольно ориентированными поверхностями, имеющими степень черноты в диапазоне от 0 до 1. В модели могут использоваться «серые» поверхности с частичным или полным затенением, а также пространственный узел для имитации лучистого теплообмена с окружающим пространством. Данный способ генерирует матрицу эффективных проводимостей для совокупности поверхностных элементов, а затем использует ее в качестве суперэлемента в тепловом анализе. Входящие в матрицу эффективные проводимости включают как угловые коэффициенты поверхностных элементов, так и степени черноты поверхностей. Так как коэффициенты матрицы вычисляются на этапе работы в препроцессоре и не корректируются в ходе решения, то данный способ не применим к тем задачам нестационарного теплообмена, в которых степени черноты поверхностей при изменении температуры меняются в широком диапазоне. Для таких задач следует использовать Radiosity Method, описание которого приведено в главе 4.5. 1.4.1 Последовательность действий Для создания суперэлемента, моделирующего лучистый теплообмен в системе нескольких поверхностей, необходимо выполнить следующие действия: 1. Определение системы поверхностей. 2. Генерация матрицы излучения. 3. Создание суперэлемента. 1.4.1.1 Определение поверхностей излучения Создание поверхностей излучения заключается в построении сетки элементов LINK32 (для двумерной модели) или сетки элементов SHELL57 (для трехмерной модели) наложением на существующую твердотельную сетку. Для этого необходимо выполнить следующие операции: 1. Построение тепловой модели в препроцессоре (PREP7). Данный метод не предусмотрен для сокращенных за счет симметрии моделей, поэтому для его применения необходимо достроить модель до полной. В качестве поверхностей излучения в 3-D моделях используются грани, в 2-D моделях – стороны. поверхности излучения поверхности излучения 2. Наложение на выбранные поверхности сетки элементов SHELL57/LINK32. Поверхностные элементы можно создать по существующей совокупности узлов выбранной поверхности. Для этого применяется команда ESURF или следующая последовательность действий в GUI: Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create> Elements> Surf/Contact> Surf Effect> General Surface> No extra Node Наложенные элементы (показаны со смещением относительно поверхностей) Для построения поверхностной сетки можно также использовать команды LMESH, AMESH или последовательность Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Lines(Areas>…) До построения сетки поверхностных элементов необходимо убедиться, что в атрибутах выбран верный тип элемента. Кроме того, если поверхности должны иметь разные степени черноты, то для них необходимо предварительно задать в атрибутах разные номера материалов. Примечание. Следует обратить внимание на то, что сетка поверхностей излучения состоящая из элементов SHELL57 или LINK32 должна совпадать с расположенной под ней сеткой твердотельной модели. Если это не так решение будет неверным. 3. Проверка и изменение ориентации поверхностных элементов. Большое значение имеет ориентация наложенных элементов. Генератор матрицы излучения AUX12 принимает в качестве направления "видимости" (т.е. направления лучистого потока) оси +Z элементов SHELL57 и оси +Y элементов LINK32 (e e e – обозначает направление внешней нормали в координатной системе элемента). Таким образом, необходимо строить сетку наложенных элементов так, чтобы лучистый поток был направлен от (или к) соответствующей грани. Порядок расположения узлов элемента, определяющий ориентацию данного элемента показан на рисунке ниже: Поверхности Поверхности излучения излучения Направление видимости 3-D геометрия 2-D геометрия Проверка ориентации нормалей элементов и их поверхностей осуществляется командой /PSYMB или через GUI: Utility Menu>PlotCtrls>Symbols (поставить выделение в строках ESYS, ADIR). Правильное направление нормалей – внутрь полости. Для изменения ориентации поверхностей, линий, элементов следует использовать команды AREVERSE, LREVERSE, ENSYM или последовательность: Main Menu>Preprocessor>Modeling>Move / Modify>Reverse Normals>… 4. Создание пространственного узла (Space node). Если в задаче рассматривается незамкнутая система поверхностей (поверхности излучают не только друг на друга, но и во внешнее пространство), то помимо поверхностных элементов необходимо создать добавочный узел, в котором будет задаваться температура внешней среды. Геометрическое положение данного узла не имеет значения. 1.4.1.2 Генерация матрицы излучения На данном этапе необходимо выполнить следующие действия: выделить узлы и элементы, образующие поверхности излучения, пространственный узел (при необходимости); задать тип геометрии конечно-элементной модели (двух- или трехмерная); задать степень черноты, постоянную Стефана Больцмана; выбрать метод вычисления угловых коэффициентов (с учетом затенением или без учета затенения); задать номер пространственного узла, если он нужен; вычислить коэффициенты матрицы излучения. Детальный перечень операций, необходимых для генерации матрицы излучения, представлен ниже. 1. Войти в генератор матрицы. Осуществляется командой /AUX12 либо через GUI: Main Menu>Radiation Opt 2. Выделить узлы и элементы, которые образуют поверхности излучения. Наилучший способ сделать это – выделить элементы по их типу, а затем выделить узлы по принадлежности к только что выделенным элементам. Для этого используется панель выделения (GUI: Utility Menu> Select> Entities) или команды ESEL,S,TYPE и NSEL. Если используется пространственный узел, то он обязательно должен быть выделен вместе с узлами поверхностных элементов. 3. Определить размерность геометрии модели (2-D или 3-D) командой GEOM или через диалоговое окно. Маршрут окна в GUI: Main Menu>Radiation Opt> Matrix Method> Other Settings.