pobieranie: 12 Ansys Przepływ ciepła przez wielowarstwową ścianę
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA KATEDRA MECHANIKI I PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN
Ćwiczenie nr 12
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Numeryczne metody analizy konstrukcji
Przepływ ciepła przez wielowarstwową ścianę
Szczecin 2002
Opis ćwiczenia Celem ćwiczenia będzie zapoznanie się z modelowaniem zjawisk termodynamicznych z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Przedstawiony zostanie model ściany zło ony z 4 warstw o następujących własnościach: 1. Warstwa pierwsza (wewnętrzna) – tynk: współczynnik przewodzenia ciepła λ = 0.5 W/(mK) ciepło właściwe Cm = 0 kJ/(kg K) gęstość ρ = 1800 kg/m3 2. Warstwa druga – beton: współczynnik przewodzenia ciepła λ = 2.1 W/(mK) ciepło właściwe Cm = 1,13 kJ/(kg K) gęstość ρ = 2000 kg/m3 3. Warstwa trzecia – styropian współczynnik przewodzenia ciepła λ = 0.17 W/(mK) ciepło właściwe Cm = 0 kJ/(kg K) gęstość ρ = 15 kg/m3 4. Warstwa czwarta – aluminium współczynnik przewodzenia ciepła λ = 221 W/(mK) ciepło właściwe Cm = 0,91 kJ/(kg K) gęstość ρ = 2700 kg/m3 Tynk stanowi warstwę znajdującą się wewnątrz budynku, w którym panuje temperatura T = 20°C (293 K) i współczynniku przejmowania ciepła α = 8 W/(m2K). Aluminium znajduje się na zewnątrz budynku, gdzie panuje temperatura T = -10°C (263 K) i współczynniku przejmowania ciepła α = 70 W/(m2K). Zostanie obliczony przepływ ciepła przez ścianę dla początkowej wartości temperatury ściany Tp = -10°C po czasie 20 godzin.
2 100 150 20
3. Materiał styropian λ = 0.17 W/(mK) Cm=0 kJ/(kgK)
2. Materiał beton λ = 2.1 W/(mK) Cm=1,13 kJ/(kgK)
80
4. Materiał aluminium λ = 221 W/(mK) Cm=0,91 kJ/(kgK) na zewn. budynku α = 70 W/(m2K) T = -10° C
1. Materiał tynk λ = 0.5 W/(mK) Cm=0 kJ/(kgK) wnętrze budynku α = 8 W/(m2K) T = 20° C
Model ściany budynku (wymiary w mm)
Zadanie 1. Wyznaczyć w postaci wykresu temperatura-grubość ściany rozkład temperatury po 20 godzinach 2. Wyznaczyć temperaturę w funkcji czasu w miejscu styku warstw: beton – tynk aluminium - styropian
■ PREPROCESSOR 1. Ustawienia preferencji Main Menu: Preferences Thermal h – Method
on on
2. Definiowanie typu elementu Main Menu: Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete wybierz element: Thermal Solid Quad 4node 55 Element ten jest do zadań 2-D, czterowęzłowy o jednym stopniu swobody w ka dym węźle: temperatura
3. Definiowanie stałych materiałowych ANSYS 5.3: Main Menu: Preprocessor → Material Props → -Constant- Isotropic 1. Tynk KXX: C: DENS: patrz wartości jak poni ej 2. Beton itd… ANSYS 5.7: Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models…→ 1. Tynk Material Model Number 1 → Thermal → Conductivity→ Isotropic (λ) KXX: 0.5 Specific heat (ciepło właściwe) C: 0 Density (gęstość) DENS: 1800 2. Beton Material → New Model…→ Define Material ID: 2 Material Model Number 2 → Thermal → KXX: 2.1 C: 1.13 DENS: 2000 3. Styropian Material → New Model…→ Define Material ID: 3 KXX: 0.17 C: 0 DENS: 15 4. Aluminium Material → New Model…→ Define Material ID: 4 KXX: 221 C: 0.91 DENS: 2700
4. Zapisanie bazy danych File → Save as... → Save Database to sciana.db → OK. 5. Tworzenie modelu ściany Nale y pamiętać by u yć jednostek długości [metr]. Kolejne etapy rysowania i tworzenia siatki pokazano na rysunkach poni ej • utwórz powierzchnie Utility Menu:
•
podziel wszystkie linie tworzące powierzchnie na 5 części (NDIV = 5) jedynie linie poziome warstwy aluminium (lewa powierzchnia) NDIV = 1)
NDIV=5 NDIV=1
•
przyporządkuj poszczególnym powierzchniom (warstwom ściany) wartości współczynników przewodzenia ciepła (zawarte w Material numeber): powierzchnia A4 (prawa) – tynk: Main Menu: Preprocessor → -Attributes- Define → Picked Areas (wska powierzchnię A4) MAT 1 → OK. itd... utwórz siatkę elementów Pozostałe powierzchnie, a tym samym warstwy ściany tak samo, pamiętając by ka dej warstwie przyporządkować odpowiedni numer materiału (MAT ...) Preprocessor → -Meshinig- Mesh → -Areas- Free → Pick All połączenie węzłów le ących w tym samym miejscu: Preprocessor → Numbering Ctrls → Merge Items... → Nodes → OK By sprawdzić prawidłowość wykonania operacji: PlotCtrls → Numbering… → Elem / Attrib numering: Material numbers
•
•
SOLUTION 7. Definiowanie warunków brzegowych W bloku tym będziemy definiować warunki brzegowe, czyli temperatury wewnętrzną (T = 20°C) i zewnętrzną (T = -10°C), miejsca kontaktu warstw ściany z tymi temperaturami oraz czas wymiany ciepła (2 godziny) • • Solution → -Analysis Type- New Analysis… → Transient → OK → Full → OK Solution → -Loads- Apply → -Thermal- Convection → On Lines wska linię, która “ma kontakt” z temperaturą T = 20°C (prawa strona ściany) VALI: 8 (współczynnik przejmowania ciepła α = 8 W/(m2K)) VAL2I: 293 (temperatura T = 293 K) podobnie dla linii z lewej strony, która “ma kontakt” z temperaturą T = -10°C VALI: 70 (współczynnik przejmowania ciepła α = 70 W/(m2K)) VAL2I: 263 (temperatura T = 263 K) Definiowanie warunków początkowych (temperatura początkowa całej ściany Tp = -10°C) • Solution → -Loads- Apply → Initial Conditi’n → Define → Pick All (wybór wszyskich węzłów stanowiących ścianę) → Lab: TEMP → VALUE: 263 → OK
Definiowanie czasu przepływu ciepła: • Solution → -Loads Step Opts- Time/Frequenc → Time – Time Step TIME: 20 (czas przepłwu ciepła 20 godzin) DELTIM: 0.5 (krok obliczeń: co 0.5 godziny) KBC: Stepped AUTOTS: OFF → OK Solution → -Loads Step Opts- Solution Ctrl... → DB/Results File…→ FREQ: Every substep → OK
•
8. Rozwiąznie zadania • Solution → -Solve- Current LS
GENERAL POSTPROCESSOR 9. Obejrzyj wyniki rozwiązania: Main Menu: General Postproc → Plot results → -Countour Plot- Nodal Solu… → DOF solution → Temperature TEMP (rozkład temperatury po 20 godzinach) Utility Menu: PlotCtrls → Animate → Over Time…→ Number of animation frames: 20 (klatka co 1 godzinę) Auto contour scaling: OFF → OK 10. Utwórz wykres temperatury w funkcji grubości ściany: Main Menu: General Postproc → Path Operations → Define Path → By Nodes wska węzeł w lewym dolnym rogu ściany, a później w prawym dolnym rogu ściany → OK Define Path Name: temp → OK zamknij okno z informacją o współrzędnych węzłów Path Operations → Map onto Path… wpisz Lab: temp wybierz DOF solution → Temperature TEMP → OK Path Operations → -Plot Path Item- On Graph… wybierz TEMP → OK 11. Utwórz wykres temperatury w funkcji czasu • w miejscu styku warstw beton – tynk oraz beton – styropian Main Menu: TimeHist Postpro → Define Variables.. → Add.. → Nodal DOF results → OK → wska jeden z węzłów w miejscu styku betonu i tynku → OK NVAR: 2 Name: bet-tynk → OK → Add… → OK → wska jeden z węzłów w miejscu styku betonu i styropianu → OK NVAR: 3 Name: bet-styr → OK → Close Main Menu: TimeHist Postpro → GraphVariables.. NVAR1: 2 NVAR2: 3 → OK
12 Ansys Przepływ ciepła przez wielowarstwową ścianę
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA KATEDRA MECHANIKI I PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN
Ćwiczenie nr 12
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Numeryczne metody analizy konstrukcji
Przepływ ciepła przez wielowarstwową ścianę
Szczecin 2002
Opis ćwiczenia Celem ćwiczenia będzie zapoznanie się z modelowaniem zjawisk termodynamicznych z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Przedstawiony zostanie model ściany zło ony z 4 warstw o następujących własnościach: 1. Warstwa pierwsza (wewnętrzna) – tynk: współczynnik przewodzenia ciepła λ = 0.5 W/(mK) ciepło właściwe Cm = 0 kJ/(kg K) gęstość ρ = 1800 kg/m3 2. Warstwa druga – beton: współczynnik przewodzenia ciepła λ = 2.1 W/(mK) ciepło właściwe Cm = 1,13 kJ/(kg K) gęstość ρ = 2000 kg/m3 3. Warstwa trzecia – styropian współczynnik przewodzenia ciepła λ = 0.17 W/(mK) ciepło właściwe Cm = 0 kJ/(kg K) gęstość ρ = 15 kg/m3 4. Warstwa czwarta – aluminium współczynnik przewodzenia ciepła λ = 221 W/(mK) ciepło właściwe Cm = 0,91 kJ/(kg K) gęstość ρ = 2700 kg/m3 Tynk stanowi warstwę znajdującą się wewnątrz budynku, w którym panuje temperatura T = 20°C (293 K) i współczynniku przejmowania ciepła α = 8 W/(m2K). Aluminium znajduje się na zewnątrz budynku, gdzie panuje temperatura T = -10°C (263 K) i współczynniku przejmowania ciepła α = 70 W/(m2K). Zostanie obliczony przepływ ciepła przez ścianę dla początkowej wartości temperatury ściany Tp = -10°C po czasie 20 godzin.
2 100 150 20
3. Materiał styropian λ = 0.17 W/(mK) Cm=0 kJ/(kgK)
2. Materiał beton λ = 2.1 W/(mK) Cm=1,13 kJ/(kgK)
80
4. Materiał aluminium λ = 221 W/(mK) Cm=0,91 kJ/(kgK) na zewn. budynku α = 70 W/(m2K) T = -10° C
1. Materiał tynk λ = 0.5 W/(mK) Cm=0 kJ/(kgK) wnętrze budynku α = 8 W/(m2K) T = 20° C
Model ściany budynku (wymiary w mm)
Zadanie 1. Wyznaczyć w postaci wykresu temperatura-grubość ściany rozkład temperatury po 20 godzinach 2. Wyznaczyć temperaturę w funkcji czasu w miejscu styku warstw: beton – tynk aluminium - styropian
■ PREPROCESSOR 1. Ustawienia preferencji Main Menu: Preferences Thermal h – Method
on on
2. Definiowanie typu elementu Main Menu: Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete wybierz element: Thermal Solid Quad 4node 55 Element ten jest do zadań 2-D, czterowęzłowy o jednym stopniu swobody w ka dym węźle: temperatura
3. Definiowanie stałych materiałowych ANSYS 5.3: Main Menu: Preprocessor → Material Props → -Constant- Isotropic 1. Tynk KXX: C: DENS: patrz wartości jak poni ej 2. Beton itd… ANSYS 5.7: Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models…→ 1. Tynk Material Model Number 1 → Thermal → Conductivity→ Isotropic (λ) KXX: 0.5 Specific heat (ciepło właściwe) C: 0 Density (gęstość) DENS: 1800 2. Beton Material → New Model…→ Define Material ID: 2 Material Model Number 2 → Thermal → KXX: 2.1 C: 1.13 DENS: 2000 3. Styropian Material → New Model…→ Define Material ID: 3 KXX: 0.17 C: 0 DENS: 15 4. Aluminium Material → New Model…→ Define Material ID: 4 KXX: 221 C: 0.91 DENS: 2700
4. Zapisanie bazy danych File → Save as... → Save Database to sciana.db → OK. 5. Tworzenie modelu ściany Nale y pamiętać by u yć jednostek długości [metr]. Kolejne etapy rysowania i tworzenia siatki pokazano na rysunkach poni ej • utwórz powierzchnie Utility Menu:
•
podziel wszystkie linie tworzące powierzchnie na 5 części (NDIV = 5) jedynie linie poziome warstwy aluminium (lewa powierzchnia) NDIV = 1)
NDIV=5 NDIV=1
•
przyporządkuj poszczególnym powierzchniom (warstwom ściany) wartości współczynników przewodzenia ciepła (zawarte w Material numeber): powierzchnia A4 (prawa) – tynk: Main Menu: Preprocessor → -Attributes- Define → Picked Areas (wska powierzchnię A4) MAT 1 → OK. itd... utwórz siatkę elementów Pozostałe powierzchnie, a tym samym warstwy ściany tak samo, pamiętając by ka dej warstwie przyporządkować odpowiedni numer materiału (MAT ...) Preprocessor → -Meshinig- Mesh → -Areas- Free → Pick All połączenie węzłów le ących w tym samym miejscu: Preprocessor → Numbering Ctrls → Merge Items... → Nodes → OK By sprawdzić prawidłowość wykonania operacji: PlotCtrls → Numbering… → Elem / Attrib numering: Material numbers
•
•
SOLUTION 7. Definiowanie warunków brzegowych W bloku tym będziemy definiować warunki brzegowe, czyli temperatury wewnętrzną (T = 20°C) i zewnętrzną (T = -10°C), miejsca kontaktu warstw ściany z tymi temperaturami oraz czas wymiany ciepła (2 godziny) • • Solution → -Analysis Type- New Analysis… → Transient → OK → Full → OK Solution → -Loads- Apply → -Thermal- Convection → On Lines wska linię, która “ma kontakt” z temperaturą T = 20°C (prawa strona ściany) VALI: 8 (współczynnik przejmowania ciepła α = 8 W/(m2K)) VAL2I: 293 (temperatura T = 293 K) podobnie dla linii z lewej strony, która “ma kontakt” z temperaturą T = -10°C VALI: 70 (współczynnik przejmowania ciepła α = 70 W/(m2K)) VAL2I: 263 (temperatura T = 263 K) Definiowanie warunków początkowych (temperatura początkowa całej ściany Tp = -10°C) • Solution → -Loads- Apply → Initial Conditi’n → Define → Pick All (wybór wszyskich węzłów stanowiących ścianę) → Lab: TEMP → VALUE: 263 → OK
Definiowanie czasu przepływu ciepła: • Solution → -Loads Step Opts- Time/Frequenc → Time – Time Step TIME: 20 (czas przepłwu ciepła 20 godzin) DELTIM: 0.5 (krok obliczeń: co 0.5 godziny) KBC: Stepped AUTOTS: OFF → OK Solution → -Loads Step Opts- Solution Ctrl... → DB/Results File…→ FREQ: Every substep → OK
•
8. Rozwiąznie zadania • Solution → -Solve- Current LS
GENERAL POSTPROCESSOR 9. Obejrzyj wyniki rozwiązania: Main Menu: General Postproc → Plot results → -Countour Plot- Nodal Solu… → DOF solution → Temperature TEMP (rozkład temperatury po 20 godzinach) Utility Menu: PlotCtrls → Animate → Over Time…→ Number of animation frames: 20 (klatka co 1 godzinę) Auto contour scaling: OFF → OK 10. Utwórz wykres temperatury w funkcji grubości ściany: Main Menu: General Postproc → Path Operations → Define Path → By Nodes wska węzeł w lewym dolnym rogu ściany, a później w prawym dolnym rogu ściany → OK Define Path Name: temp → OK zamknij okno z informacją o współrzędnych węzłów Path Operations → Map onto Path… wpisz Lab: temp wybierz DOF solution → Temperature TEMP → OK Path Operations → -Plot Path Item- On Graph… wybierz TEMP → OK 11. Utwórz wykres temperatury w funkcji czasu • w miejscu styku warstw beton – tynk oraz beton – styropian Main Menu: TimeHist Postpro → Define Variables.. → Add.. → Nodal DOF results → OK → wska jeden z węzłów w miejscu styku betonu i tynku → OK NVAR: 2 Name: bet-tynk → OK → Add… → OK → wska jeden z węzłów w miejscu styku betonu i styropianu → OK NVAR: 3 Name: bet-styr → OK → Close Main Menu: TimeHist Postpro → GraphVariables.. NVAR1: 2 NVAR2: 3 → OK
