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文档

验证案例:球体的对流传热

这种情况属于热力学。该测试案例的目的是在不同时间步骤的球体中的对流热传递期间验证以下参数:

  • 球体中心的温度(m)。
  • 球体外表面的温度(ABCD)。

将SimScale的仿真结果与VPCS在[TTLV01]\(^1\)中给出的结果进行了比较。

几何

仅使用直径为0.2 \(m\)的球体的一部分进行分析,如下图所示。M是球体的中心,面ABCD代表外表面。

球形几何尺寸
图1:用作仿真域的球体部分的线框模型

分析类型和领域

工具类型:code_aster.

分析类型传热,线性

时间依赖性:瞬态

网格和元素类型两种网格,在案例(A)和(B)中使用标准基于SimScale平台的网格划分算法。

情况下 网格类型 的节点数量 元素类型
(一) 1订单四面体 5286 标准
(B) 二阶四面体 38271 标准
表1:两种网格的特性

用于案例A的网格使用1阶四面体元素创建:

网格一阶单元四面体
图2:用于SIMSCALE案例的第1顺序四面体网格(A)

对于案例B,使用具有2nd阶四面体元素的类似网格。

仿真设置

请注意

在这种情况下,所有温度依赖性数据都作为°C的函数给出(尽管它在工作台中的°K表示)!
这是因为\(\frac {W}{°K}\)和\(\frac {W}{°C}\)之间的等价性。

材料/固体:

  • 各向同性
    • 密度(\(ρ\)) = 7200 \(kg / m³),
    • 热导率(\(\kappa\)) = 48.822 \(W \ / \(m \乘以K\) \),
    • 比热= 669 \(J \over \ kg \times \ K\)

初始条件:

  • 初始温度\(T_ {初始} \)= 20 \(k \)

加载:

  • 对流热通量在面部ABCD上
    • 参考温度(T_{0}) = 1000 \(K\)
    • 传热系数= 232.5 \(w \ over \(k \ times \m²\)\)

结果比较

下表是球体中心不同时间步的温度值。SimScale的结果与VPCS的结果进行了比较(^1\)

时间
\ ([s] \)
vpc \ (^ 1 \)
\ ([K] \)
情况下
\ ([K] \)
错误
(%)
案例B
\ ([K] \)
错误
(%)
400 334. 341.18 2.15 341.153 2.14
600 500 493.494 -1.30 493.453 -1.31
800 618 610.619 -1.19 610.572 -1.20
1000 706 700.66 -0.756. 700.613 -0.76
1200. 774 769.88 -0.532 769.835 -0.538
1400 828 823.093 -0.593 823.052 -0.598
1600 872 864.002 -0.917 863.964 -0.87
1800 902. 895.45 0.726 895.417 -0.73
2000 923 919.626. -0.366 919.598 -0.369
2200 942 938.212 -0.402 938.188 -0.405
2400. 956 952.5 -0.366 952.48 -0.368
表2:不同时间步长中心点温度结果比较

外表面的温度比较统计如下:

时间
\ ([s] \)
vpc \ (^ 1 \)
\ ([K] \)
情况下
\ ([K] \)
错误
(%)
案例B
\ ([K] \)
错误
(%)
400 461. 474.889 3.013 474.8 2.99
600 608 596.363 -1.914 596.28 -1.93
800 696. 689.704 -0.905 689.628 -0.92
1000 774 761.458 -1.62 761.39 -1.63
1200. 828 816.619 -1.375 816.56 -1.38
1400 868 859.024 -1.03 858.973 -1.04
1600 902. 891.624 -1.15 891.58 -1.16
1800 923 916.685 -0.684 916.648 -0.69
2000 942 935.951. -0.642 935.92 -0.65
2200 956 950.762 -0.548 950.736 -0.55
2400. 962 962.148. 0.015 962.127 -0.013
表3:不同时间步长的外表面温度结果对比

两种计算结果均与参考结果吻合较好,最大误差< 3%,表明SimScale能够成功地分析球体的传热。

温度分布传热球
图3:案例A在最后的时间步(2400秒)内的温度分布

最后更新:2020年8月20日

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