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0℃，环境温度为-10℃，杯子侧面和顶面的对流换热系数为12.5W/m^2·℃，杯子放在桌面上，假设桌面可以对杯子底面提供-10℃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，内径50mm，高度85mm，顶面内径60mm，抽壳厚度为5mm（内部水的高度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

焓值：

温度℃-10 -1 0 10

焓J/m^3 0 37.8e6 79.8e6 121.8e6

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

*afun deg !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

✧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