Ansys模拟水结冰的热分析过程.docx
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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LC,环境温度为-10°C,杯子侧面和顶面的对流换热系数为12.5W/M2・匸,杯子放在桌面上，假设桌面可以对杯子底面提供-1CTC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,径50mm,髙度85mm,顶面径60mm,抽壳厚度为5mm（部水的髙度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
焙值:
温度°C
-10
-1
0
10
焙J/nT3
0
37.8e6
79.8e6
121.8e6
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，因此水的焙值是必要的。
假设温度LC的水结成（TC的冰需要放出42000J/血・匸的热量，通过定义焙值来实现。
假设温度区间长度为1°C,因此温度低于-1°C,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
相fundeg!
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
mp,kxx,1,0.6!
设置材料属性
mp,c,1,4200
mp,dens,lt1000
mptemp,1,-10,-1,0,10
mpdata,enth,1,1,0,37.8e6,79.8e6,121.8e6!
焙值定义
mp,kxx,2t70
mp,dens,2,7833
mp,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
rl=50e-3
r2=60e~3
r3=54.41e-3
r4=65e~3
hl=80e-3
h2=85e-3
4、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,rl,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-hl!
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3
vatt,2,,1
!
赋予2号材料属性
vsel,,,,4
!
体积4
vatt,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
紫色部分为茶杯，材料属性2
模型显示如上,
6、分网
esize,2・5e-3
vsweep,all
!
单元尺寸2・5e-3
!
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100s
autots,on
!
打开自动时间步长
kbc,l!
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LC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APL0T,确定要施加载荷的面的
编号。
随后施加载荷
asel,,,,16,17
asel,a,,,2
asel,a,,,7
!
选择对流边界的面编号
sfa,all,,conv,12.5,-10!
施加对流
asel,,,,1
asel,a,,,3
nsla,s,1
d,all,temp,-10
Allsel
!
选择茶杯底面
!
选择底面上的全部节点
!
施加温度载荷
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
NCDALSOLUTION
STEP=1
5UB=36
TIME=3000
TEMP（AVG）
RSYS-0
SMN—10
SMX=-・692E-03
ANSYS
DEC19201200:
44:
27
-io
-7.77793
-8.88397-€.66€9
-5.55586
-2.33379-4.44433
-1.11173-2.22216-.692E-03
1OVZ
◊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
/eval,1,-10,-1,0,0.1!
设置温度显示围
plnsol,temp
HOEALSOLUTIONSTEAL
SUB=36
7IME=3000
7EMP（AVG）
RSYS-0
SMN=-9.98984
SMX=-.€92E-03
ANSYS
D£C192012
00:
55:
11
-19-1
-100
lovz
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：
/eval!
温度显示复位
set,,,,,,,11!
选择子载荷步11,即time=521
plnsol,temp
NOEALSOLUTION
STEP=1
SUB=117IME=520.8527EMP（AVG）
RSYS=0
SMN—9.95702
SMX=-.ie7E-C9
ANSYS
DEC192012
01:
02:
59
-9.95702-7.74435-5.53168・3.31901-1.10634
-8.85069-6.63302-4.42534-2.21267-.187E-09
10V2
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
/anf订e,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：
/post26
nl=node（0,10e-3,0）!
选择距茶杯底面10mm的水节点
n2二node（0,30e-3,0）!
选择距底面30imn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二rl,丫二45°,z二h2/2的节点
csys,0!
整体笛卡尔坐标
nsol,2,nl,temp,,tl!
定义节点温度
nsol,3,n2,temp,,t2nsol,4,n3ttemp,,t3
plvar,2,3,4!
显示温度-时间曲线
1
POST26
ANSYS
EEC192012
01：
32：
26
-・E.
-1.£
-2.4.
-3.12.
VALU
-5.€.
-€.4.
-7.2
-e
\\
■■
r7
、
'■^C"1
1
L
\
\
\
■
、
8001€00249022004009
400120020002£000€00
TIME
1OVZ
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TO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）o
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
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