Инженерный анализ теплового оборудования - Учебное пособие

На сегодняшний день развитие численных методов позволяет успешно выполнять моделирование различных физических процессов, что широко используется во многих отраслях. Освоение инструментов компьютерного инженерного моделирования позволяет выполнять научно-исследовательские работы (линейных прочностных, динамических и тепловых задач; решения контактных задач; проведения геометрически нелинейных расчетов) при многократно сниженных затратах и риске по сравнению с проведением натурных испытаний, которые не всегда оправдывают затраты.Инженерный анализ, связан с использованием основных физических принципов для решения задач с целью получения за приемлемое время приемлемых решений. Важным положением здесь являются: основные принципы, приемлемое время решения и приемлемое (имеющее смысл) решение. Выполняя инженерный анализ, инженер должен знать об ограничениях, свойственных избранному способу решения задачи. Инженер должен также представлять себе, означает ли «приемлемое время решения» сутки, неделю или год. Центральным объектом при работе является проект, под которым понимается совокупность геометрических, физических и конечно-элементных моделей тел рассматриваемой задачи, а также результатов численного решения.При решении тепловых задач вычисляются распределения температур (температурные поля) и соответствующие (рассматриваемой задаче) тепловые величины в рассчитываемой системе или ее части. Типичными тепловыми величинами, представляющими интерес при тепловом расчете, являются: - температурные поля; При решении стационарных тепловых задач определяются распределение температур (температурное поле) и другие тепловые величины при стационарных граничных условиях. При решении нестационарных тепловых задач определяются температурное поле и другие тепловые величины при граничных условиях, которые изменяются в течение рассматриваемого периода времени. При решении стационарных тепловых задач могут быть определены температуры, градиенты температур, тепловые потоки и плотности тепловых потоков в объектах, к которым приложены тепловые граничные условия, не изменяющиеся с течением времени.В литературных источниках эти зависимости могут быть представлены в виде таблиц, что не всегда удобно для использования. Некоторые вычислительные комплексы не позволяют вводить данные в табличном виде, аналитические и численно-аналитические решения также требуют представления их в виде уравнений. Таким образом, необходимо получить уравнения, которые бы описывали изменение теплофизических коэффициентов в зависимости от температуры.Для этого во вкладке Вставка в меню Диаграммы выбираем Точечная с маркерами (рис. Чтобы ввести данные для построения графика переходим в появившееся меню Работа с диаграммами, где во вкладке Конструктор выбираем Данные > Выбрать данные (рис. В качестве имени ряда пишем название графика «Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры», в качестве значений Х выделяем все значения температуры, а в качестве значений Y все значения коэффициента теплопроводности (предварительно удалив содержимое строки, заданное автоматически). При добавлении линии тренда на диаграмму Microsoft Office Excel можно выбрать любой из следующих шести различных типов тренда или регрессии: прямые, логарифмические, полиномиальные, степенные и экспоненциальные линии тренда, а также линии тренда с линейной фильтрацией. Во вкладке Построение линии тренда отмечаем Линейная, а внизу окна ставим галочку напротив строки Показывать уравнение на диаграмме и Поместить на диаграмму величину достоверности аппроксимации и нажимаем Закрыть (рис.Построение точечной диаграммы и вывод уравнений производится аналогично п.В итоге получаем, что в диапазоне температур от 273 К до 1473 К изменение плотности для стали 20 описывается уравнением ?(Т) = 7948,2-0,3158•Т кг/м3.Построение точечной диаграммы и вывод уравнений производится аналогично п.Цель работы: необходимо решить дифференциальное уравнение теплопроводности аналитическим методом с учетом постоянных и переменных теплофизических свойств материала, найти распределение температуры по толщине пластины в любой момент времени. Для металла прирост теплосодержания будет происходить только за счет теплопроводности, то есть уравнение теплопроводности будет иметь вид: , где - температура металла, К; - удельная теплоемкость металла, ; - теплопроводность материала металла, ; - текущая пространственная координата металла, ; - время, с. Зная основное ДУ теплопроводности, можно легко получить аналитическую зависимость изменения температуры и количества переданного тепла во времени для любой точки тела. Записываются границы решения, и количество шагов по времени и по пространству, используя функцию pdesolve, которая как раз и является функцией решения дифференциальных уравнений в среде MATHCAD. Она предназначена для решения одномерного уравнения (или системы уравнений) в частных производных (того, которое определит пользователь в рамках вычислительного блока Given), зависящего от времени t и пространственной коорди

Оглавление

Введение

1. Инженерный анализ теплового оборудования средствами компьютерного моделирования

1.1 Анализ тепловых явлений

2. Аппроксимация теплофизических свойств материала от температуры

2.1 Определение зависимости коэффициента теплопроводности от температуры

2.2 Определение зависимости удельной теплоемкости от температуры

2.3 Определение зависимости плотности от температуры

2.4 Определение зависимости коэффициента температуропроводности от температуры

3. Решение задачи нагрева металла аналитическим методом

3.1 Постановка задачи (постоянные теплофизические свойства)

3.2 Постановка задачи (переменные теплофизические свойства)

4. Решение задач нагрева металла в различных многоцелевых вычислительных комплексах

4.1 Решение задачи нагрева в программном комплексе COMSOL Multiphysics (Femlab)

4.2 Решение задач нагрева в программном комплексе Elcut

4.3 Решение задач нагрева в программном комплексе FLOWVISION

4.4 Решение задач нагрева в многофункциональном программном комплексе конечно-элементных расчетов ANSYS

5. Моделирование воздушно-водяного кожухотрубчатого теплообменника типа «труба в трубе»

Библиографический список

Приложение

На сегодняшний день развитие численных методов позволяет успешно выполнять моделирование различных физических процессов, что широко используется во многих отраслях. Освоение инструментов компьютерного инженерного моделирования позволяет выполнять научно-исследовательские работы (линейных прочностных, динамических и тепловых задач; решения контактных задач; проведения геометрически нелинейных расчетов) при многократно сниженных затратах и риске по сравнению с проведением натурных испытаний, которые не всегда оправдывают затраты. Компьютерное моделирование играет важнейшую роль в современных условиях рыночной экономики, уменьшая себестоимость и время разработки нового. Реализация новой методологии обучения и методического обеспечения конструкторской подготовки специалистов, опирающейся на использовании в образовательном процессе возможностей CAD-технологий и конечно-элементных (CAE) пакетов, будет способствовать повышению до мирового уровня квалификаций кадров для инновационной деятельности.

CAE (англ. Computer-aided engineering) - общее название для программ или программных пакетов, предназначенных для инженерных расчетов, анализа и симуляции физических процессов. Расчетная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (метод конечных элементов, метод конечных объемов, метод конечных разностей и др.). Одним из основных преимуществом применения подобных технологий - это возможность замены натурного или полунатурного эксперимента на виртуальное моделирование, что в свою очередь дает возможность прогнозировать поведение разрабатываемых конструкций уже на этапе их проектирования и минимизирует затраты на экспериментальную отработку.