Análisis térmico

El módulo de análisis térmico sirve para la solución de transferencia de calor y problemas de conducción térmica. Un objetivo típico de la realización de análisis térmico es encontrar campos de temperatura y de flujo de calor (térmica) dentro del volumen de un producto. AutoFEM admite dos formas de formular un problema de análisis térmico:

 

Ejemplos de un estado estacionario y transitorio procesos termodinámicos

Los detalles de los pasos de análisis térmico

El análisis térmico se lleva a cabo en varias etapas. La secuencia de los pasos de los usuarios para la elaboración de un estudio y la ejecución de un estudio térmico de una estructura es en muchas partes similares a los algoritmos de trabajar con otros módulos de estudio de AutoFEM. Por lo tanto, vamos a señalar en este capítulo sólo ciertos detalles específicos para estudios térmicos.

1. Creación de Estudio. Al crear un estudio, especificar su tipo - « análisis termino ». Al igual que en otros tipos de estudios, se requiere la construcción de una malla de elementos finitos, para la aproximación de la geometría de la estructura.

2. La aplicación de las condiciones de contorno. En el análisis térmico, las condiciones de contorno están representados por las temperaturas de contorno y iniciales, las fuentes de alimentación de calor, flujo de calor, y las condiciones de intercambio de calor entre el modelo y el medio ambiente - convección y radiación aplicada al modelo.

La temperatura inicial se utiliza para definir las cargas térmicas en el (cero ) momento inicial de tiempo para sólo el análisis térmico transitorio. Todas las cargas térmicas definidas sin la bandera « inicial » se considera constante (invariable), tanto en el estado de equilibrio y análisis térmico transitorio.

3. Resolver. Antes de ejecutar los cálculos, el usuario puede especificar el tipo de un estudio de análisis térmico está resuelto ( en la ficha [ Parámetros ], el estado de equilibrio o de transferencia de calor transitorio), y, si es necesario, ajustar los algoritmos para sistemas de ecuaciones en la resolución de la tabla [ Resolver ].

4. Análisis de los resultados de la solución térmica. Los resultados de un análisis térmico son:

Campos de temperatura - distribución de temperatura sobre el volumen del modelo.

Gradientes térmicos de los X, Y, Z, y la magnitud del gradiente térmico - Reflexionar sobre el grado de los cambios de temperatura de los respectivos ejes del sistema de coordenadas.

Resultando flujo térmico por las X, Y, Z, y la magnitud del flujo térmico -muestra el resultando la tasa de transferencia de energía térmica, determinada a partir de la solución para el estudio de análisis térmico.

Magnitudes de la (temperatura) del gradiente térmico y el flujo de calor resultante se determinan como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de los respectivos componentes de coordenadas proyectado.

Además de los resultados mencionados, los siguientes datos de referencia se pueden mostrar en la ventana postprocesador:

Los métodos para el análisis de resultados de análisis térmico aceptado en el AutoFEM postprocesador, son en general similares a los métodos de examen de los resultados en otros módulos de análisis. Mencionemos algunas herramientas postprocesador específicos, que pueden ser utilizados para el análisis de resultados de la transferencia de calor transitoria.

Solución de un estudio de la transferencia de calor transitoria resulta en un gran conjunto de datos, cuyo número total es igual al número de pasos de tiempo especificados por el usuario. AutoFEM proporciona al usuario una cara interna visual conveniente para la gestión de todo el conjunto de los datos resultantes de los cálculos. Con este fin, un « proceso » Tiempo panel de diálogo se puede llamar desde los resultados que vieron el menú contextual de la ventana, que pueden ser utilizados por el usuario para cambiar rápidamente al resultado deseado en la escala de tiempo.

El uso del «proceso» Tiempo ventana para gestionar el acceso a los resultados de un estudio térmico transitorio.

 

Ajustes del procesador de análisis térmico

En la ficha [General ], puede definir o editar los atributos descriptivos del estudio actual, como su nombre o un comentario.

La pestaña [ Resolver ] contiene la configuración de los sistemas de ecuaciones algebraicas para resolver, con sus significados similares a los valores del estudio « análisis estático » (véase el apartado correspondiente ). Tenga en cuenta que el « Cálculo utilizando elemento lineal » modo se puede utilizar en la mayoría de los casos de análisis térmico, lo que facilita los cálculos mucho más rápidos. A diferencia de estudios en Estática, análisis de frecuencia y de pandeo, los resultados de la distribución de temperatura sobre el volumen del modelo logrado bajo el supuesto de interpolación lineal no son muy diferentes de los respectivos resultados obtenidos del uso de una interpolación cuadrática.

Antes de iniciar los cálculos, en la ficha [Parámetros ], el usuario puede indicar el tipo de problema solucionado análisis térmico: (modo de estado estacionario) estacionaria o conducción térmica no estacionaria ( proceso transitorio ).

Para la conducción térmica no estacionario, es necesario especificar una duración de proceso ( « tiempo de proceso total » ), paso de tiempo y la temperatura inicial.

En el análisis térmico, controles « temperatura inicial | usar la temperatura » permite al usuario definir como una temperatura inicial:

« Parámetros » pestaña de la ventana de parámetros del estudio de análisis térmico

El « Utilizar los resultados de calor en tareas de control » permite definir la temperatura inicial de los resultados de un análisis térmico realizado antes. Este elemento de diálogo se convierte en accesible para el usuario, si hay estudios térmicos realizados anteriormente presentes en el modelo. En la lista desplegable seleccione el nombre de un estudio de análisis térmico resuelto y, si es necesario, el instante de tiempo, a la que se refiere la solución. Por favor, tenga en cuenta que ciertas condiciones deben cumplirse para el uso de los resultados de análisis térmico como las condiciones iniciales de temperatura:

1. Condición de identidad de mallas de elementos finitos en ambos análisis térmicos. La forma más sencilla de conseguir dicha identidad es el uso de la opción "Copiar ", disponible en el menú contextual. La secuencia de pasos puede ser, por ejemplo, de la siguiente manera:

a) crear un estudio de tipo " Análisis Térmico ", generar una malla, definir las condiciones de frontera, y correr. Suponemos que las temperaturas resueltos serán utilizados para la definición de las temperaturas iniciales en otro estudio del análisis térmico transitorio ;

b ) crear una copia de un estudio con el comando « Copiar » ;

c ) definir las condiciones de contorno de un estudio transitorio de análisis térmico. En los « Parámetros » ficha de propiedades del estudio, seleccione el nombre del primer estudio y, si eso es un análisis de transitorios, el paso de tiempo deseado.

Como resultado, tenemos dos estudios de diferentes tipos, pero con idénticas mallas de elementos finitos.

2. El " Cálculo utilizando lineal elemento " propiedad en la pestaña " resolver  " del diálogo de parámetros de estudio debe utilizar la misma configuración en ambos estudios. Por ejemplo, si el primer análisis térmico se realiza por elementos lineales, entonces el segundo análisis térmico sobre la base de los anteriores resultados de análisis térmico puede también ser ejecutado solamente por elementos lineales.

Tenga en cuenta también que la solución de un estudio de la transferencia de calor transitoria requiere más tiempo de CPU, en comparación con la transferencia de calor en estado estacionario, ya que en el primer caso los sistemas de ecuaciones algebraicas se resuelven en cada paso de tiempo definido por el usuario.

La ficha [Resultados ] permite definir los tipos de resultados que se pueden mostrar en el árbol de los estudios después de terminar los cálculos.

 

«Resultados» ficha (izquierda) y el diálogo para ajustar los resultados visualizable por defecto en el árbol de los estudios (a la derecha)

 

Ejemplos de estudios de análisis térmico

Análisis térmico de un radiador de refrigeración. Estado Estacionario

Requerido es una evaluación de una refrigeración pasiva eficiencia del radiador para el dispositivo electrónico semiconductor con la máxima potencia de disipación de 15 vatios. La temperatura máxima permisible del cuerpo del microchip es de 75 ° C en el rango de operación de temperaturas ambiente de 25 ° C a 55 ° C. Un radiador de aleación de aluminio se utiliza para la refrigeración del dispositivo y está montado en la parte superior del cuerpo del microchip. Para mejorar la disipación de calor, el cuerpo del microchip también está hecha de aluminio.

Paso 1. La creación de « Estudio », mallado, y el material de la asignación. Crear un estudio de la « Análisis Termal » escribir con el comando « Análisis | Nuevo estudio » sobre la base de dos cuerpos - el microchip y el radiador. Generar una malla de elementos finitos. También es necesario definir los parámetros de material de la pieza. Por defecto, los cálculos utilizan las propiedades del material « De Operación », es decir, las propiedades de los materiales se obtienen automáticamente del modelo sólido de la parte del producto. Esto es especialmente conveniente cuando un estudio incluye cuerpos de diferentes materiales que representan partes de modelos de montaje. En nuestro caso, el « Aluminio » material se define en la creación del modelo 3D del radiador y el microchip, con sus propiedades físicas y químicas que figuran en la base de datos de AutoCAD.

 

Paso 2. La aplicación de las condiciones de contorno. Precisemos cargas térmicas para el modelo. Vamos a aplicar el « calor de potencia » carga de 15 vatios al volumen del microchip, y definir el « convección » condición de contorno en las caras del hundimiento del radiador de calor externas con el parámetro de la convección de 15 vatios / (m2. ° C) y temperatura ambiente de (25 º C). Podemos omiso en este estudio el factor de intercambio de calor de la radiación mutua y ambiente, ya que su contribución radiación es extremadamente pequeña a las temperaturas esperadas (decenas de grados Celsius). Al término de los mandatos de la construcción de la malla de elementos finitos y la definición de las cargas térmicas, obtenemos un modelo de elementos finitos-cálculos listos.

Definición de la carga "Power Heat"

Definición de la carga "Convección"

 

Paso 3. Ejecución de cálculos y análisis de resultados. Vamos a iniciar el análisis térmico mediante la ejecución del comando « Análisis | Resolver ». En el diálogo que aparece de las propiedades del estudio, establezca la opción « estado estable » en la ficha [ Parámetros ]. Use el « Cálculo utilizando elemento lineal » el modo en la ficha [ Resolver ] para acelerar los cálculos.

La lista de resultados de cálculo se muestra en los « estudios » de la ventana, y se puede acceder mediante el menú contextual en la ventana de resultados del cálculo. La temperatura máxima de acuerdo con los resultados de calor y de análisis es 39,1 ° C a la temperatura de convección igual a 25 ° C. A continuación, editaremos la temperatura por convección mediante el comando « Editar » del menú contextual estudios árbol, ajuste de la temperatura ambiente operacional a su límite superior ( 55 ° C ) y, a continuación, vuelva a ejecutar los cálculos. Vamos a obtener la temperatura máxima del microchip igual a 69,1 ° C. La conclusión es que el radiador hace cumplir la condición de temperatura requerido para el dispositivo en todo el intervalo especificado de temperaturas de funcionamiento del dispositivo. El estudio se ha completado.

Campos de temperatura en el radiador debajo de la temperatura de convección de 25°C

 

Cálculo del tiempo de calentamiento de la refrigeración del radiador. Modo transitorio

Vamos a calcular el tiempo necesario para que el dispositivo para alcanzar un estado térmico constante. Para ello, vamos a ejecutar un análisis térmico transitorio de la « microchip + radiador » del sistema.

Paso 1. La creación de la copia del estudio. Vamos a crear una copia de la original del estudio en un análisis térmico en estado estable con el comando « copiar » del menú contextual estudios árbol. En la ficha [General] de las propiedades del estudio, cambie el nombre del estudio de « calefacción ».

Paso 2. Definición de parámetros de análisis de transitorios. En la ficha [Parámetros] de las propiedades de análisis térmico, ajuste el modo « transitorio ». Definir los parámetros de análisis de tiempo - el tiempo de modelado de 30 minutos y la etapa de modelado de 0,5 minutos. Vamos a utilizar la temperatura ambiente uniforme (25 ° C) como el inical Modelo. temperatura.

Definición de los parámetros de cálculo de análisis térmico transitorio - Tiempo y temperatura inicial

 

Paso 3. Ejecución de cálculos y análisis de resultados. Después de la realización de los cálculos, puede examinar los resultados en cada paso de tiempo. Para ver estos resultados, se utiliza una variable «Tiempo de proceso» de barras que permite al usuario cambiar rápidamente a la instantánea de tiempo de interés mediante un control deslizante. Con la ayuda de estas herramientas determinamos que un calentamiento casi completa del radiador se producirá después de aproximadamente 26 minutos.

Resultado del análisis térmico en tiempo de 1590 seg (26 min.)

 

 

Cálculo del tiempo de enfriamiento del radiador de refrigeración. Modo transitorio

Ahora, vamos a evaluar el tiempo requerido para el radiador dispositivo de refrigeración para refrescarse después de un trabajo prolongado.

Paso 1. La creación de la copia del estudio. Ajuste de las condiciones de contorno. Vamos a crear una copia del estudio original del análisis térmico en estado estacionario. Ajuste las condiciones de contorno de este estudio: se eliminará el «calor de potencia» carga.

Paso 2. Definición de parámetros de análisis de transitorios. Ajuste el modo de « transitorio » en la ficha de las propiedades de análisis térmico. Definir los parámetros de análisis de tiempo - el tiempo de modelado de 30 minutos, la etapa de modelado de 0,5 minutos. Vamos a utilizar el resultado de la evaluación del radiador de estado estable anterior como inical Modelo. temperatura.

Configuración de parámetros del estudio para el cálculo de proceso de enfriamiento

(transferencia de calor transitoria)

Paso 3. El análisis de los resultados del cálculo. Vamos a ejecutar cálculos y analizar los resultados. Usando el « proceso de Tiempo » Barra, podemos determinar que el enfriamiento casi completa del radiador se producirá en aproximadamente 26 minutos después de apagar el aparato.

Dispositivo de cálculo de refrigeración.

Distribución de temperaturas a 1590 segundos de tiempo de cálculo