Ansys模拟水结冰的热分析过程.docx

1、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-10C,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-10-1010焙 J/nT3037. 8e679. 8e6121. 8e6

2、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1C,因此温度低于-1C,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fun deg !定义角度为度2、 进入前处

3、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,1,4200mp,dens,lt1000mptemp,1,-10,-1,0,10mpdata, enth, 1,1,0,37. 8e6,79. 8e6,121. 8e6 !焙值定义mp,kxx,2t70mp,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rl=50e-3r2=60e3r3=54. 41e-3r4=65e3hl=80e-3h2=85e-34、 建模wprot, ,-90 !旋转工作平面/pnum,volu, 1 !打开体积显示/v

4、iew, 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/p

5、num,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-3vsweep,all!单元尺寸25e-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100sautots,on!打开自动时间步长kbc,l !阶跃载荷初始温

6、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,16,17asel,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,3nsla,s,1d,all,temp,-10Allsel!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

7、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NCDAL SOLUTIONSTEP=15UB =36TIME=3000TEMP (AVG)RSYS-0SMN 10SMX =-692E-03ANSYSDEC 19 2012 00:44:27-io-7.77793-8.88397 -.669-5.55586-2.33379 -4.44433-1.11173 -2.22216 -.692E-031OVZ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

8、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,tempHOEAL SOLUTION STEALSUB =367IME=30007EMP (AVG)RSYS-0SMN =-9.98984SMX =-.92E-03ANSYSDC 19 201200:55:11-19 -1-10 0lovz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by pick 子项目选择自己想要查

9、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=521plnsol,tempNOEAL SOLUTIONSTEP=1SUB =11 7IME=520.852 7EMP (AVG)RSYS=0SMN 9.95702SMX =-.ie7E-C9ANSYSDEC 19 201201:02:59-9.95702 -7.74435 -5.53168 3.31901 -1.10634-8.85069 -6.63302 -4.42534 -2.21267 -.187E-0910V2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

10、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：/post26nl=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(r 1,45,h2/2) !选择 x二rl, 丫二45 , z二h2/2 的节点c

11、sys,0 !整体笛卡尔坐标nsol,2,nl, temp, tl !定义节点温度nsol,3,n2, temp, t2 nsol,4,n3t temp,t3plvar,2,3,4 !显示温度-时间曲线1POST26ANSYSEEC 19 201201：32：26-E.-1 . -2.4.-3.12.VALU-5.-.4.-7.2-er7、C 11L、800 100 2490 2200 4009400 1200 2000 200 000TIME1OVZ12、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

12、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）o13、 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