Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» Боровкова Т.В. Определение погрешности измерения при расчете температурного поля в элементе конструкции с граничными условиями третьего рода на базе программного комплекса Solid Works. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Тепловые режимы космических аппаратов» МОСКВА Кафедра СМ1 2018 Цель: Овладение навыками инженерного расчета теплового режима элемента конструкции в условиях конвективного теплообмена с использованием Solid Works 1. 2. 3. 4. Создать и сохранить файл в SolidWorks. Создать геометрическую модель. Создать проект расчета в SolidWorks Flow Simulation. Проанализировать результат. Задача: определить температурное поле круглого чугунного ребра постоянного сечения. (Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, - М., «Энергия», - 1977 г.) Толщина ребра δ=3,6 мм, внутренний диаметр ребра r1=60 мм, внешний диаметр ребра r2=120 мм, коэффициент теплоотдачи α=30 Вт/(м2 0С), теплопроводность чугуна λчугуна=30 Вт/(м 0С), температура основания ребра Ʋ1=353К. Длину участка трубы, на которой расположено ребро, принять равной 10,8мм. Толщину стенки трубы принять равной толщине ребра. (Ребро расположить вертикально, соответственно, труба расположится горизонтально.) 1. Создать и сохранить файл в SolidWorks Сохранить файл в папке WorkSolid. 2. Создать геометрическую модель. 3. Создать проект расчета в SolidWorks Flow Simulation. Создать проект расчета. Диалоговое окно General settings: Отмечаем галочками поле External в разделе Analysis Type, Heat conduction in solids и Gravity в разделе Physical Features: Fluids: Solids: New- Напоминаю, что для перехода к заданию значений в табличной форме, нажмите значок многоточия, находящийся справа, напротив Thermal Conductivity. Save(иконка дискеты)-Закрыть-В списке в разделе User Defined найти созданный материал, нажать на него курсором-OK Initial and ambient conditions: Обратите внимание: температура твердого тела, задаваемая в этом окне, Solid Parameters имеет следующий смысл: если задача нестационарная, то это будет начальная температура тела/системы тел. Если задача стационарная, то смысл этой температуры иной: ее необходимо задавать как можно ближе к ожидаемой температуре тела/системы, тогда расчет будет быстрее «сходится». Да. Дополнительно вносим данные по материалу ребра: Solid material-Insert Solid Material-в разделе User Defined найти «чугун»-выбрать тело для задания ему этого материала. Граничные условия на боковых (не торцевых) поверхностях ребра: Boundary Conditions-Type-Wall-Adjust Wall Heat Transfer Coefficient: α=30 Вт/м2К, Тf=273 К, OK. Для реализации на наружном торце ребра условия изоляции воспользуемся пунктом Contact Resistance – В окошке Selection указываем торец– в окошке Thermal resistance выбираем PreDefined - Infinite resistance-OK: САМОСТОЯТЕЛЬНО. На внутренней поверхности трубы задать температуру стенки 800C командой Boundary Conditions. Наружная поверхность трубы будет находится в условиях естественной конвекции: для ее участия в конвективном теплообмене достаточно условий, назначенных в General Settings заранее (температура среды). На торцах трубы примем условие равенства 0 потока. Для этого необходимо назначить условие: Contact Resistance- В окошке Selection указываем оба торца– в окошке Thermal resistance выбираем Pre-Defined Infinite resistance-OK. Создание сетки конечных объемов: Отредактируйте вычислительную область в диалоговом окне Computation Domain-Edit Definition – Size. При редактировании учтите направление вектора ускорения свободного падения. Параметры сетки в диалоговом окне Initial Mesh: (для визуального контроля построенной сетки отметьте галочкой окошко Show basic mash) кнопками Add Plane и Edit Plane следует внести изменения в настройки базовой сетки, добавив интервалы разбиения (вкладка Basic Mesh, Control Intervals) по осям Х, У или Z с целью сгустить сетку вблизи ребра. Поле Number of cells в разделе Control intervals позволит задать количество ячеек в интервале по желанию пользователя (для фиксации этого пользовательского значения необходимо установить галочку в квадратном окошке). В поле Ratio можно задать коэффициент соотношения размеров ячеек в начале или в конце интервала (коэффициент может быть положительным или отрицательным). В полях Number of cells (в верхней части рассматриваемого окна) можно увеличить количество ячеек по основным осям. Добавить дополнительные плоскости вокруг ребра. На следующей вкладке Solid/Fluid interface – Small solid feature refinement level на 4-й уровень (наименьший размер ячейки самой мелкой детали конструкции будет при разбиении в 24 (в каждом из базовых направлений или в 84 в объеме) меньше, чем базовый размер ячейки). Cuvature refinement level -критерий, позволяющий лучше разрешить сеткой криволинейные поверхности тел; если этот критерий меньше или равен 2,0944, то он будет иметь при построении сетки преимущество перед Small solid feature refinement level до тех пор, пока Cuvature refinement level имеет меньшее значение чем Small solid feature refinement level. Tolerance refinement level, Tolerance refinement criterion – первая настройка более эффективно решает кривизну интерфейса чем перед Small solid feature refinement level, вторая, в отличие от Cuvature refinement level, различает малые и большие элементы равной кривизны, тем самым избегая уточнений в областях с меньшей значимостью. Цели расчета: Для контроля расчета в режиме реального времени и задания параметров окончания расчета используем Goals-Insert Surface Goals-Temperature of Solid (Averege). В качестве объектов выберем боковую поверхность ребра и торец и отметим галочкой опцию Create a separate goals for each surface (иначе будет задана единичная цель расчета, как усредненное значение по указанным поверхностям). Запуск программы на расчет командой Solve-Run: Снятие в данном поле галочки напротив Solve позволяет предварительно создать и проконтролировать сетку конечных объемов, т.к. будет произведено только создание сетки Mesh. Отмечаем галочками поля Solve и Mesh- New calculation-Run. 4. Проанализировать результат. Для получения графического изображения поля температур на поверхностях ребра, выбираем команду Surface Plot-Use all faces (отметить галочкой) и выбрать Display-Contours: Сечение (Cut Plot): выбираем одну из базовых поверхностей или любую из поверхностей модели и на ней будет построено сечение с распределением температур по нему. Для того, чтобы увидеть распределение температур в сечении, необходимо выполнить разрез модели по выбранной на предыдущем шаге плоскости. Графики (Goal Plots-Edit definition-выбираем цели, которые хотим отобразить-Export to Excel-ОК): Графики открываются в новом окне Exel: Для определения количества тепла, снимаемого с поверхности ребра используем Surface parameters-Heat transfer rate и выберем грани и торец ребра - Exel. Аналогично, результат откроется в Eхеl: Необходимо заполнить таблицу: Количество ячеек Fluid Solid Partial 55,45 Температура на стенке ребра,°С 59,52 Температура на торце ребра,°С Температура на внешней 68 поверхности трубы,°С Клонировать проект и поменять настройку сетки в диалоговом окне Initial Mesh - Solid/Fluid interface установить для Cuvature refinement level 4 и обнулить требования к остальным параметрам (Cuvature refinement criterion не трогать). Сохранить и провести расчет. Заполнить таблицу. Количество ячеек Fluid Температура на стенке ребра,°С Температура на торце ребра,°С 53,26 56,94 Solid Partial Температура на внешней поверхности трубы,°С 64,72 Клонировать проект и поменять настройку сетки в диалоговом окне Initial Mesh - Solid/Fluid interface установить для Tolerance refinement level 4 и обнулить требования к остальным параметрам (Tolerance refinement criterion не трогать). Сохранить и провести расчет. Заполнить таблицу. Количество ячеек Fluid Solid Partial 55,75 Температура на стенке ребра,°С 59,62 Температура на торце ребра,°С Температура на внешней 68,89 поверхности трубы,°С Сделать вывод о влиянии параметров сетки на результат расчета. Вывод: Задание на самостоятельную проработку (ОБЯЗАТЕЛЬНОЕ): Какое количество теплоты передается через прямое плоское ребро постоянного сечения толщиной δ=5 мм и высотой h=50 мм и длиной l=1м и какая температура на конце ребра Ʋ2, если коэффициент теплопроводности железа λ=50 Вт/(м∙0С), коэффициент теплоотдачи на боковой поверхности ребра и вокруг его основания α1= α2=10 Вт/(м2∙0С) и избыточная температура в основании ребра Ʋ1=80 0С . По результатам расчета заполнить таблицу: Температура на стенке ребра, °С Температура на торце ребра, °С Температура на внешней поверхности основания, °С 75,15 72,71 79,74