Analiza termiczna- kiedy korzystać z SOLIDWORKS Simulation, a kiedy z SOLIDWORKS Flow Simulation?

Do problemów związanych z analizą termiczną można podejść na dwa różne sposoby. Sam SOLIDWORKS udostępnia dwa narzędzia, których można użyć. SOLIDWORKS Simulation (oprogramowanie MES) i SOLIDWORKS Flow Simulatio (oprogramowanie CFD) są w stanie rozwiązywać problemy związane z przenikaniem ciepła i analizą termiczną.

Jaka jest różnica między MES a CFD?

Zarówno numeryczna mechanika płynów (CFD) jak i metoda elementów skończonych (MES) mogą przeprowadzać analizy dotyczące wszystkich procesów wymiany ciepła, takich jak przewodzenie, konwekcja i promieniowanie. Niemniej jednak, narzędzia MES wymagają od użytkownika podania danych dotyczących współczynników przenikania ciepła przez konwekcję i promieniowanie. CFD jest zdolne do symulowania szybkości wymiany ciepła między ciałami stałymi a płynami, jak również promieniowania do i od ciał zarówno w obrębie symulacji, jak i z zewnętrznych źródeł promieniowania.

Które rozwiązanie jest lepsze?

Krótka odpowiedź: to zależy. Teoretycznie możliwe jest osiągnięcie tych samych wyników, korzystając z dowolnego oprogramowania, biorąc pod uwagę wymianę ciepła i temperaturę ciała stałego.

Długa odpowiedź: SOLIDWORKS Flow Simulation w większości przypadków zapewni najbardziej kompletne rozwiązanie. Zarówno CFD, jak i MES z SOLIDWORKS dostarczają wyniki dla przewodnictwa przy użyciu wyłącznie właściwości materiału i symulacji.

Oprogramowanie CFD może określić szybkość wymiany ciepła na podstawie konwekcji i promieniowania, podczas gdy oprogramowanie MES wymaga wprowadzenia przez użytkownika danych dotyczących wartości strat ciepła przez konwekcję i promieniowanie. Może to być problematyczne w przypadku symulacji zmiennych w czasie, gdy zachowanie wymiany ciepła cały czas się zmienia.

W najlepszym przypadku te dane wejściowe będą dokładne w przypadku prostych symulacji, które są ustalonym stanie, pod warunkiem, że użytkownik włożył pracę, aby uzyskać prawidłowe odpowiedzi.

Dlaczego miałbym potrzebować CFD, jeśli mam już MES?

Tworząc symulację obejmującą wymianę ciepła, należy zadać sobie następujące pytania:

1. Czy wyniki symulacji muszą uwzględniać wymianę ciepła pochodzącą od konwekcji (wymuszoną lub naturalną), która zmienia się wraz z projektem?
2. Czy rozważasz jakieś efekty przejściowe?
3. Czy rozszerzalność cieplna NIE spowoduje znacznych naprężeń?
4. Czy SOLIDWORKS Flow Simulation przyda Ci się przy innych symulacjach?
5. Potrzebujesz wykonać wiele analiz termicznych?
6. Potrzebujesz wykonać skomplikowane analizy termiczne?
7. Czy potrzebujesz symulować wymienniki ciepła, radiatory, elektroniczne systemy chłodzenia lub systemy oświetleniowe?

Jeśli odpowiedź brzmi twierdząco na którekolwiek z tych pytań, należy rozważyć SOLIDWORKS Flow jako narzędzie do analizy termicznej.

Przykłady wykorzystania CFD i MES

Poniżej znajdują się dwa przykłady przedstawiające analizę wymiany ciepła. W pierwszym przykładzie narzędzie do analizy MES jest lepszym wyborem, przynajmniej w przypadku zgrubnej pierwszej analizy. Aby zaobserwować różnice, ten sam przykład został policzony w SOLIDWORKS Simulation i w SOLIDWORKS Flow Simulation.

Drugi przykład przedstawi przypadek, w którym narzędzie CFD jest lepszym rozwiązaniem.

Przykład pierwszy

W pierwszym przykładzie zostały zamodelowane dwie metalowe obręcze, które są względem siebie koncentryczne. Wewnętrzna obręcz jest wykonana z aluminium 6061, a zewnętrzna z żelaza. Wewnętrzną powierzchnię obręczy aluminiowej ustawiono na temperaturę 300°C, a współczynnik przenikania ciepła na zewnętrznej ściance obręczy żelaznej z grubsza oszacowano i ustawiono na 100 ^W/_m²·K (co przybliża schładzanie zewnętrznej części przy temperaturze -120°C, z przepływem powietrza wynoszącym około 45 m/s). Wygląd geometrii przedstawia Rysunek 1.

 

Rys. 1 Geometria dla pierwszego przykładuPoniżej został przedstawiony rozkład temperatur (patrz Rysunek 2). Uzyskany wynik można zdefiniować jako obciążenie temperaturowe w badaniu statycznym.

 

Rys. 2 Rozkład temperatury (rysunek po lewej) oraz rozkład naprężeń (rysunek po prawejNastępnie zostało stworzone badanie statyczne, w którym zewnętrznej powierzchni zostały odebrane wszystkie stopnie swobody, a ponadto zaimportowano obciążenie termiczne. Wyniki naprężenia pokazano powyżej. Maksymalna wytrzymałość aluminium 6061 wynosi 310 MPa. Jak widać, naprężenia w koncentrycznych obręczach w większości miejsc znacznie przekraczają 310 MPa. Aby lepiej to zaobserwować, został stworzony drugi wykres, na którym ostateczna wytrzymałość aluminium 6061 jest ustawiona jako maksymalna wartość naprężenia, a wszystkie wartości powyżej 310 MPa mają kolor ciemnoczerwony (Patrz Rysunek 3).

 

Rys. 3Wizualizacja obszarów, gdzie naprężenia są większe niż 310 MPaObszar zaznaczony na kolor ciemnoczerwony uległby awarii i wymagałby przeprojektowania, gdyby nie wprowadzono żadnych zmian w konfiguracji.

Dla porównania wyniki uzyskane w SOLIDWORKS Flow Simulation, przedstawiają się następująco (patrz Rysunek 4).

Rys. 4 Rozkład temperatury wyliczony za pomocą SOLIDWORKS Flow SimulationWarto zwrócić uwagę, że minimalna wartość temperatury jest podobna do temperatury wyliczonej w SOLIDWORKS Simulation. SOLIDWORKS Flow Simulation przewidział minimalną temperaturę na poziomie 558 K. Natomiast narzędzie MES przewidziało minimalną temperaturę na poziomie 549 K.

Jedną z zalet narzędzia CFD jest w tym przypadku to, że użytkownik nie musiał polegać na przybliżonych domysłach, aby znaleźć współczynnik przenikania ciepła. Jedną z zalet programów CFD jest wyliczenie współczynnika przenikania ciepła i w tym przypadku jego wartość wynosiła 79,9 ^W/_m²·K.

Narzędzie CFD dostarczyło pewnych informacji termicznych, które nie zostały uzyskane za pomocą narzędzia MES, a mianowicie realistycznych rozkładów temperatur i rzeczywistego współczynnika przenikania ciepła. Jednakże rozkład temperatur nie był kluczowy dla tego projektu. Dużo istotniejsze było poznanie wartości naprężeń wywołanych temperaturą, co pokazało, że ta część wymaga przeprojektowania.

Przykład drugi

W tym przykładzie zostało zamodelowane źródło ciepła, ściana izolacyjna oraz radiator. Źródło ciepła, które znajduje się pod radiatorem wytwarza moc 150 W, a powietrze, które przepływa nad geometrią ma prędkość 45 m/s (patrz Rysunek 5).

 

Rys. 5 Geometria dla przypadku 2Rozkład temperatury na powierzchni radiatora pokazano poniżej (patrz Rysunek 6). Jak widać jest on złożony. Dlatego też, dzięki uzyskanym wynikom możliwe jest łatwiejsze podejmowanie decyzji przy rozważaniu zmian w konstrukcji radiatora.

 

Rys. 6 Rozkład temperatury na radiatorzePrzy wykonywaniu symulacji w SOLIDWORKS Simulation zostały wykorzystane wartości szybkości wymiany ciepła oraz temperatury źródła ciepła podane przez SOLIDWORKS Flow Simulation. To na co warto zwrócić uwagę, to aspekt, że wartości tych parametrów są wyliczane w programie CFD. Ponadto należy zauważyć, że rozkład temperatury uzyskany za pomocą MESu nie pokazuje złożonego zachowania bardziej dokładnych wyników CFD. Dodatkowo występujące naprężenia są znacznie niższe od granicy plastyczności aluminium (patrz Rysunek 7).

 

Rozkład temperatury (lewy rysunek) oraz rozkład naprężeń (prawy rysunek) – wyliczony za pomocą SOLIDWORKS SimulationTak więc, chociaż SOLIDWORKS Simulation pozwala uzyskać wyniki termiczne, to ich dokładność jest znacznie niższa niż dla programu SOLIDWORKS Flow Simulation, który umożliwiła projektantowi podejmowanie bardziej przemyślanych decyzji.

Wniosek

Analizy termiczne mogą być przeprowadzane przy użyciu obu dodatków do programu SOLIDWORKS. Metoda elementów skończonych (MES) oraz numeryczna mechanika płynów (CFD) są w stanie rozwiązywać szeroki zakres problemów. Dodatek SOLIDWORKS Flow Simulation jest w stanie obliczyć wartości szybkości i współczynnika przenikania ciepła, które są wymagane przez narzędzie MES (Simulation), jako dane wejściowe od użytkownika. Dlatego, gdy skomplikowane zachowanie płynu wpływa na przenoszenie ciepła w geometrii, zalecane jest użycie narzędzia SOLIDWORKS Flow Simulation. Natomiast, jeśli ważna jest rozszerzalność cieplna, niezbędne jest korzystanie z SOLIDWORKS Simulation. Warto także wspomnieć, że Flow i Simulation mogą współpracować, a wyniki analizy przepływu mogą być importowane do Simulation w celu przeprowadzenia analizy MES.