Ansys模拟水结冰的热分析过程文档格式.doc

Ansys模拟水结冰的热分析过程文档格式.doc

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79.8e6

121.8e6

茶杯采用铁的材料属性：

70

7833

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，因此水的焓值是必要的。

假设温度0℃的水结成0℃的冰需要放出42000J/kg·

℃的热量，通过定义焓值来实现。

假设温度区间长度为1℃，因此温度低于-1℃，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

*afundeg!

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

et,1,70！

定义70单元

mp,kxx,1,0.6！

设置材料属性

mp,c,1,4200

mp,dens,1,1000

mptemp,1,-10,-1,0,10

mpdata,enth,1,1,0,37.8e6,79.8e6,121.8e6！

焓值定义

mp,kxx,2,70

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

r1=50e-3

r2=60e-3

r3=54.41e-3

r4=65e-3

h1=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,r1,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-h1！

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

模型显示如上，紫色部分为茶杯，材料属性2

6、分网

esize,2.5e-3！

单元尺寸2.5e-3

vsweep,all！

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,1！

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0℃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APLOT，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！

选择茶杯底面

nsla,s,1！

选择底面上的全部节点

d,all,temp,-10！

施加温度载荷

Allsel

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

²

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，手动设置温度显示范围，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

/cval,1,-10,-1,0,0.1!

设置温度显示范围

plnsol,temp

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：

/cval！

温度显示复位

set,,,,,,,11！

选择子载荷步11，即time=521

plnsol,temp

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

/anfile,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

n1=node（0,10e-3,0）！

选择距茶杯底面10mm的水节点

n2=node（0,30e-3,0）！

选择距底面30mm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=r1，y=45°

，z=h2/2的节点

csys,0！

整体笛卡尔坐标

nsol,2,n1,temp,,t1！

定义节点温度

nsol,3,n2,temp,,t2

nsol,4,n3,temp,,t3

plvar,2,3,4！

显示温度-时间曲线

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-10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）。

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