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利用ANSYS多物理场仿真进行热量扩散器的设计

2015/12/29    来源:ANSYS    作者:Jean-Philippe Guillemin  Stéphane Leconte      
关键字:ANSYS  多物理场  仿真  
本文介绍了Davey Bickford工程团队利用多物理场仿真设计热量扩散器,将爆炸能转化为持续热能。

    针对简单的初始概念设计得出实验温度后,工程师创建一个虚拟原型,用来探索设计空间并利用ANSYS Mechanical瞬态热解决方案对设计进行优化。首先,开发团队将Autodesk Inventor Pro 2009创建的初始设计几何形状导入ANSYS DesignModeler,然后删除所有与虚拟原型概念无关的特征,在确保准确性的同时实现快速仿真。工程师对几何外形进行网格剖分,并定义初始条件。初始温度设定为室温,自然对流情况下3D几何外形的传热系数为5W/(m² C)。工程师对引爆装置生成的热流量进行建模,方法是根据实验结果映射瞬态热流量。然后,他们利用ANSYS热瞬态模型对实验过程进行仿真,仿真结果与实验结果匹配良好。

图4 工程师根据实验结果对引爆装置所产生的热流量进行建模

图4 工程师根据实验结果对引爆装置所产生的热流量进行建模

图5 数值模型与实验结果具有非常好的相关性

图5 数值模型与实验结果具有非常好的相关性

    工程师应用瞬态热模型确定热量扩散器外围的温度分布情况。仿真结果表明扩散器的最初设计方案中,扩散器的底部温度较高,顶部的温度较低。而客户对整个液体温度分布的均匀程度要求很高,因此Davey Bickford团队将研究的重点集中在热量扩散器的材料属性方面,尽力保持引爆反应生成的热量,降低热量传递至液体的速率。工程师选择了4种具有高热流率和低热扩散率的材料,作为热量扩散器的备选材料。热流率体现了某种材料与周围环境的热交换能力。热扩散率是在恒定压力条件下热导率与密度和比热容的比值。

 设计团队采用ANSYS瞬态热模型对每类材料进行评估。材料1和3的温度差异较大,所以很快从备选方案中排除。材料4表现出了令人满意的热属性,但不便于机械加工,会导致生产成本过高。工程师决定将重点转移至具有均匀温度属性并且易于加工的材料2。

图6 初始热量扩散器设计模型外围的温度分布

图6 初始热量扩散器设计模型外围的温度分布

图7 热量扩散器最高温度(红色)和最低温度(蓝)随时间的变化情况

图7 热量扩散器最高温度(红色)和最低温度(蓝)随时间的变化情况

责任编辑:吴星星
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