- •О.Ю. Нагорная инженерный анализ теплового оборудования
- •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)
- •3.1.1. Решение задачи нагрева металла с постоянными теплофизическими свойствами аналитическим методом в среде MathCad
- •3.2. Постановка задачи (переменные теплофизические свойства)
- •3.2.1. Решение задачи нагрева металла с переменными теплофизическими свойствами аналитическим методом в среде MathCad
- •4. Решение задач нагрева металла в различных многоцелевых вычислительных комплексах
- •4.1. Решение задачи нагрева в программном комплексе comsol Multiphysics(Femlab)
- •4.1.1. Нагрев тела при граничных условиях I рода с постоянными теплофизическими свойствами
- •4.1.2. Нагрев тела при граничных условиях I рода с учётом зависимости теплофизических свойств от температуры
- •4.2. Решение задач нагрева в программном комплексе Elcut
- •4.2.1. Нагрев тела при граничных условиях I рода с постоянными теплофизическими свойствами
- •4.2.2. Нагрев тела при граничных условиях I рода с переменными теплофизическими свойствами
- •4.3. Решение задач нагрева в программном комплексе FlowVision
- •4.3.1. Нагрев тела при граничных условиях I рода с постоянными теплофизическими свойствами
- •4.3.2. Нагрев тела при граничных условиях I рода с учётом зависимости теплофизических свойств от температуры
- •4.4. Решение задач нагрева в многофункциональном программном комплексе конечно-элементных расчетов ansys
- •4.4.1. Нагрев тела при граничных условиях I рода с постоянными теплофизическими свойствами
- •4.4.2. Нагрев тела при граничных условиях I рода с учётом зависимости теплофизических свойств от температуры
- •4.4.2.1. Создание пользовательской базы данных
- •4.4.2.2. Задание переменных свойств материала с помощью кусочно-линейной функции
- •4.4.2.3. Задание переменных свойств материала с помощью полиномиальной функции
- •4.4.2.4. Задание переменных свойств материала с помощью кусочно-полиномиальной функции
- •4.4.2.5. Анализ способов задания переменных свойств материала
- •5. Моделирование воздушно-водяного кожухотрубчатого теплообменника типа «труба в трубе»
- •5.9. Окно создания и редактирования материалов
- •5.10. Выбор необходимого материала (жидкости)
- •Библиографический список
- •Приложение 2
Введение
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 расчётов, анализа и симуляции физических процессов. Расчётная часть пакетов чаще всего основана на численных методах решения дифференциальных уравнений (метод конечных элементов, метод конечных объёмов, 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.
Лидерами среди CAE-систем являются многофункциональные комплексы: ANSYS, FlowVision, Elcut, COMSOL Multiphysics (Femlab) и др.
1. Инженерный анализ теплового оборудования средствами компьютерного моделирования
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. Кроме того, он должен знать о своих недостатках и сильных сторонах и в возможностях находящихся в его распоряжении вычислительных устройств и аппаратуры для экспериментальной работы.
Центральным объектом при работе является проект, под которым понимается совокупность геометрических, физических и конечно-элементных моделей тел рассматриваемой задачи, а также результатов численного решения. Проект может состоять из одного или нескольких блоков, реализующих отдельные виды инженерного анализа. В свою очередь, блок состоит из элементов – структурных частей блока, отвечающих за определенный этап анализа. Можно выделить следующие этапы проведения инженерного анализа:
разработка модели (препроцессинг). На данном этапе осуществляется подготовка геометрической модели, задание материала и его свойств, генерация конечно-элементной сетки, определение физических условий моделирования. Конечным результатом этапа является модель, подготовленная для численного решения;
настройка решателя и решение. На данном этапе задаются необходимые настройки решателя, параметры, обеспечивающие сходимость итерационного процесса, и запускается решатель. Конечным результатом этапа является численное решение, полученное с заданной точностью;
обработка результатов (постпроцессинг). На данном этапе полученное численное решение задачи используется для визуализации распределения необходимых физических величин (напряжений, деформаций, температур и др.). Конечным результатом этапа является набор графиков, анимаций, массивов значений, представляющих необходимые результаты решения задачи.
Процедура инженерного анализа редко бывает линейной. При решении практической задачи, как правило, приходится часто возвращаться к предыдущим этапам, вносить изменения в модели, перестраивать сетку, корректировать настройки решателя.