溫度模擬的案例
用Phoenics軟件模擬庭院溫度場
用Phoenics軟件模擬庭院溫度場
Temperature field simulation to courtyard by Phoenics software
趙敬源 黃曼
摘 要：探索和營造結(jié)合自然和具有良好生態(tài)循環(huán)的人居環(huán)境,是目前建筑行業(yè)面臨的迫切任務(wù).因此,非常需要以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的觀點(diǎn)來定量研究優(yōu)秀傳統(tǒng)民居的建筑經(jīng)驗(yàn), 采用Phoenics軟件,對庭院內(nèi)自然對流熱過程中的空氣流場和溫度場的三維時空分布做了模擬分析.經(jīng)過對所選實(shí)測對象的典型個例模擬計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果的對比分析,證明采用該研究方法研究庭院內(nèi)熱過程的基本規(guī)律和溫度的分層是基本可行的.通過計(jì)算程序的建立,可以方便地將庭院的研究結(jié)論轉(zhuǎn)化成簡單易用的設(shè)計(jì)資料,使其更具有實(shí)用性和參考性.
關(guān)鍵詞：Phoenics軟件;庭院式民居;數(shù)值模擬;溫度場;對比
分類號：TU-02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1001-7569(2004)02-0011-04
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59978039),長安大學(xué)青年科技發(fā)展基金(0305-1001)
作者簡介：趙敬源(1972-),女,河南南陽人,長安大學(xué)講師,博士研究生,主要從事建筑環(huán)境與城市環(huán)境研究.
作者單位：趙敬源（長安大學(xué),建筑學(xué)院,陜西,西安,710061）
黃曼（長安大學(xué),建筑學(xué)院,陜西,西安,710061）
參考文獻(xiàn)：
［1］趙敬源.庭院式民居夏季熱環(huán)境研究[J].西北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2001,(1):8-11.
［2］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1988.
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展開 新型樓板火災(zāi)溫度場試驗(yàn)和模擬研究
實(shí)驗(yàn)時采用電爐模擬火災(zāi)，故模擬時的受火面對流換熱系數(shù)hc(exposed)取值50W/(m^2·℃)，綜合熱輻射系數(shù)εr(exposed)取0.9，不銹鋼表面發(fā)射率εs取0.3，背火面綜合對流換熱系數(shù)hc(unexposed)取9W/(m^2·℃)。胞元側(cè)面巖棉則為絕熱面，環(huán)境溫度設(shè)為20°C。
4. Model Verified
模型驗(yàn)證
為了驗(yàn)證有限元模型的正確性，按照上述建模方法，從試驗(yàn)試件中選取胞元建模，對試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析。試件幾何尺寸如下：面板厚t=1.5mm，芯管間距l(xiāng)1=l2=100mm；芯管直徑d=51mm，厚度δ=0.3mm，高度H=150mm。
模擬得到的胞元單面受火76min時的溫度場見圖11。模擬溫度與試驗(yàn)結(jié)果對比見圖12，背火面和受火面溫度模擬與試驗(yàn)吻合較好，說明該模型具有較高的精度。
圖11
圖12
參考資料：
Bc X , Jing H , Gl B , et al. Experimental andnumerical investigation on temperature field of stainless-steel core plateexposed to fire considering cavity radiation effects[J]. Thin-WalledStructures, 163.
展開 基于procast的不銹鋼雙輥鑄軋過程中溫度場數(shù)值模擬
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基于procast的不銹鋼雙輥鑄軋過程中溫度場數(shù)值模擬
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基于procast的不銹鋼雙輥鑄軋過程中溫度場數(shù)值模擬.pdf
基于XFlow的復(fù)合材料熱壓罐成型過程的溫度場模擬
XFlow求解流程圖.
2
基于XFlow的熱壓罐成型過程的模擬方法
2.1
控制方程
由于熱壓罐內(nèi)的熱對流和熱傳導(dǎo)的換熱方式，所以需要使用流體流動與熱交換中的質(zhì)量、動能及能量守恒方程作為模擬的基本控制方程，進(jìn)行溫度場的模擬。所需要的求解的方程在直角坐標(biāo)系下的控制方程如下所示：
2.2
模型的建立與導(dǎo)入
熱壓罐中為了使溫度場均勻利用風(fēng)扇加快壓罐內(nèi)空氣的流動，同時通過控制系統(tǒng)來控制熱壓罐內(nèi)的溫度與壓強(qiáng)。按實(shí)際情況模擬難以實(shí)現(xiàn)，需對模型進(jìn)行簡化。對熱壓罐裝置的簡化過程如下：僅模擬工作內(nèi)腔，將其簡化成圓柱體模型，一端為進(jìn)口，另一端為出口。模具上的一些輔助裝置對溫度場影響很小[9]，對其進(jìn)行簡化：僅保留型板和支撐結(jié)構(gòu)。利用三維建模軟件CATIA建立尺寸為Ф2500×7000mm的簡化熱壓罐模型及尺寸為1500×1500×400mm的簡化框架式模具模型。圖3為復(fù)合材料成型模具。
把建好的模具模型與熱壓罐模型導(dǎo)入到XFlow并調(diào)整相對位置，如圖4所示。
圖3. 框架式模具簡化結(jié)構(gòu).
圖4.
展開 
『分享』薄板激光彎曲溫度場的數(shù)值模擬與校驗(yàn).pdf
薄板激光彎曲溫度場的數(shù)值模擬與校驗(yàn).pdf,不好意思了，正確的在下面呢<BR><FONT color=#ff0000><B>PS:</B>該帖于2007-7-26 21:41:46被yali編輯過。</FONT><BR><Font color=#FF0000><B>PS:</B>該帖于2007-7-26 21:42:47被yali編輯過。</Font><BR><Font color=#FF0000><B>.PS.:</B>該帖附件于2007-07-27 08:00:33被yali評為3星級，為發(fā)貼者加分60。</Font><BR><Font color=#FF0000><B>點(diǎn)評:</B></Font>
薄板激光彎曲溫度場的數(shù)值模擬與校驗(yàn).pdf
展開 熱模擬驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計(jì) — 降低高密度PCB板溫度的方法論
二、電—熱耦合模擬
PCB板的電-熱模擬有助于
1、可視化整個板子的熱場；
2、識別電流流動的瓶頸；
3、識別電路板上的熱點(diǎn)，以便對PCB板銅箔布局進(jìn)行優(yōu)化，降低銅箔產(chǎn)生的焦耳熱。
在本研究中，通過熱風(fēng)險(xiǎn)管理方法（Thermal Risk Management tool，TRM）電-熱模擬來進(jìn)行，該工具用于計(jì)算電子器件和PCB的溫度。
三、仿真模型
該模型由元件及其各自的功耗、PCB板內(nèi)部的熱過孔及熱耗、PCB板基材（FR4)、不同的銅層、銅層之間電流流動的導(dǎo)電體、輸入輸出引腳等等。
外殼結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在邊界條件對應(yīng)的換熱系數(shù)上?？偟膿Q傳系數(shù)是考慮整個產(chǎn)品的傳導(dǎo)、對流和輻射，進(jìn)行系統(tǒng)級的共軛傳熱模型導(dǎo)出的，電流(I)被分配給輸入和輸出的引腳。將環(huán)境溫度作為邊界條件應(yīng)用于PCB及元件。
四、模擬的有效性
為了通過消除熱瓶頸來評估產(chǎn)品的熱風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品的使用壽命，對元件、PCB和塑料外殼的溫度與極限進(jìn)行了比較。
由于電子產(chǎn)品的溫度每升高10°C，其壽命將減少一半，所有的電子產(chǎn)品將必須保持在合理的工作溫度下。
壽命和工作溫度的關(guān)系是：
t表示工作時間，單位為h；c為常數(shù)；T表示器件的工作溫度，單位為K。
為了驗(yàn)證模擬結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室中通過紅外熱成像和熱電偶測量，對板級和組件級進(jìn)行了測量。分別用于熱場和元件溫度。模擬和測量結(jié)果表明PCB板的溫升誤差在±3%以內(nèi)。
表1顯示了被測量的幾個工作部件的溫度以及它們在模擬中的預(yù)測溫度。
五、初始模型
一旦通過實(shí)驗(yàn)室測量驗(yàn)證了仿真模型，那么可以對完整模型進(jìn)行全負(fù)荷加載，其中PCB板的電流和元件的功耗都是最大的。
展開 ANSYS高斯脈沖激光光源溫度場模擬APDL ￥100
以下為中間過程中的溫度場
本實(shí)例介紹在一個高斯脈沖激光光源溫度場的模擬，包含了脈沖激光的apdl程序，高斯光源的APDL程序，以及隨溫度變化的材料參數(shù)設(shè)置，apdl程序?yàn)閰?shù)化建模，只需修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)，即可更換模型參數(shù)。
下層基板：長1000微米，寬300微米，高300微米;上層板材：長1000微米，寬300微米，厚30微米。
激光照射上層板材，由寬度方向的中點(diǎn)進(jìn)入，沿長度方向直線掃描一道，到另一邊中點(diǎn)結(jié)束
激光為普通高斯光源，形式為脈沖激光，如圖3，其中激光頻率=1/TCycle, 占空比=TPulse/TCycle
在模擬的過程中要實(shí)現(xiàn)激光功率，掃描速度，激光頻率和占空比的可變。求得上層板材中心位置溫度隨時間的變化曲線
1. 溫度場只考慮傳熱，不考慮對流以及輻射，環(huán)境溫度為室溫25攝氏度。
2. 材料的各項(xiàng)參數(shù)不是固定參數(shù)，而是隨溫度變化的參數(shù)。
激光參數(shù)：
光斑直徑：100微米
激光功率：200W
掃描速率v=800mm/s
占空比ra=0.5
激光頻率f=20000Hz
展開 Lumerical光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
布拉格波長與溫度的關(guān)系如圖顯示，相對于室溫下的值，其在1.000攝氏度時偏移15.6納米。
還可以得到光柵在給定溫度范圍內(nèi)的靈敏度。靈敏度定義如下：
考慮到參考文獻(xiàn)中缺乏有關(guān)材料的信息，模擬的靈敏度（9.4 pm/℃）與公布的結(jié)果(7.2 pm/℃)存在差異。這種差異可能主要來自材料參數(shù)的差異，而參考文獻(xiàn)中并未完全提供這些參數(shù)。
該腳本還提取與溫度相關(guān)的S參數(shù)，并將其保存為S參數(shù)文件格式（fbg_S_param_T.dat），以便在下一步進(jìn)行interconnect電路模擬。
步驟3：INTERCONNECT-光子電路模擬
使用光學(xué)時間調(diào)制S參數(shù)元件將與溫度相關(guān)的S參數(shù)導(dǎo)入INTERCONNECT，用于模擬FBG溫度傳感器。我們掃描溫度并測量傳感器在不同溫度下的反射光譜。當(dāng)需要附加PIC元件對FBG的整體性能的影響時，該電路模型仿真是有用的。
FBG溫度的電路模擬需要三個要素：
光網(wǎng)絡(luò)分析儀（ONA），既可作為光源又可作為檢測器。
代表FBG溫度傳感器的光學(xué)時變S參數(shù)元件。
用作溫度控制器并連接到FBG溫度傳感器元件的直流電源。
下圖為電路仿真的原理圖設(shè)計(jì)。按下運(yùn)行按鈕，模擬將計(jì)算溫度傳感器在25°C室溫下的反射光譜。
展開 Abaqus子程序HETVAL模擬混凝土水化熱溫度場
圖5 依賴于結(jié)果的STATEV狀態(tài)變量
04
水化放熱公式及實(shí)現(xiàn)程序
下面通過一個例子來探索下HETVAL子程序模擬混凝土水化熱形成的溫度場。
水化放熱曲線很復(fù)雜，工程中一般采用簡化的經(jīng)驗(yàn)擬合表達(dá)式，比如混凝土水化放熱的公式我們這里采用復(fù)合指數(shù)式，如式1所示，因?yàn)楹芏辔墨I(xiàn)指出用該水化放熱曲線模擬的溫度場與實(shí)測的溫度場模擬較好。Q0為混凝土水化放熱的最大值，取為364000J/kg（一般試驗(yàn)或文獻(xiàn)里給的都是kJ/kg這種單位，但Abaqus里的標(biāo)準(zhǔn)單位為J，這里要統(tǒng)一單位），而b、c這兩個參數(shù)取值可在文獻(xiàn)中查到，不同水泥類型的參數(shù)取值不一樣，對于52.5普通硅酸鹽水泥，這里b取為0.36，c為0.74。注意到式1中的t的單位為天。
式1：
然后對式1求導(dǎo)，可得到單位立方米混凝土單位時間的水化放熱率，qv (J/m^3/hr)，見式2。這里將上式中的時間單位改為了hr，因?yàn)橐话慊炷?em>溫度場監(jiān)測以小時為單位進(jìn)行記錄。這里的qv就是HETVAL中的FLUX(1)。具體HETVAL子程序如下：
式2：
在該子程序中最重要為熱源放熱率FLUX(1)，并且及時用statev結(jié)果狀態(tài)變量來存儲，這樣方便在后處理中輸出查看，我稱之為實(shí)時調(diào)試，也就是可以實(shí)時監(jiān)控自己定義或想要輸出變量在有限元計(jì)算中隨時間的變化規(guī)律。
展開 基于FLUENT/UDF模擬PID電阻加熱溫度控制過程
基于FLUENT/UDF 模擬先以0.5℃/s升溫，再保持70℃溫度不變工況，模擬根據(jù)PID溫度控制過程，根據(jù)設(shè)置sensor溫度和仿真sensor溫度來評估，PID參數(shù)設(shè)置合理性；
大家感興趣請留言，我會盡快錄制課程??！有特殊案例需求，可以私信我，我也可以加到課程里面
室內(nèi)流場與溫度場的實(shí)驗(yàn)測定及數(shù)值模擬
CDF 技術(shù)及其商業(yè)軟件的發(fā)展使人們可以用數(shù)值模擬的方法預(yù)測室內(nèi)熱環(huán)境，評價(jià)通風(fēng)效果，改進(jìn)空調(diào)送回風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在提供舒適的室內(nèi)環(huán)境的同時，進(jìn)一步降低能耗。為了對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，在某室內(nèi)送回風(fēng)節(jié)能,氣流組織模擬實(shí)驗(yàn)室中對空調(diào)工況下的氣流組織和溫度分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測定，并采用商業(yè)軟件Airpak 對房間內(nèi)的速節(jié)能,速度場、溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。在數(shù)值計(jì)算中采用k?ε方程作為紊流模型，以現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)作為邊界條件，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好。結(jié)果表明，采用商業(yè)軟件對空調(diào)工況下室內(nèi)送回風(fēng)氣流組織與溫度分布的數(shù)值模擬可以獲得較準(zhǔn)確的室內(nèi)流場、溫度場及空氣年齡的詳細(xì)數(shù)據(jù)，從而可以對整個空調(diào)通風(fēng)效果進(jìn)行全面評價(jià)，以改進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)。
室內(nèi)流場與溫度場的實(shí)驗(yàn)測定及數(shù)值模擬.pdf
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凍融問題滲流場和溫度場耦合數(shù)值模擬
凍融作用在自然界中普遍存在如自然環(huán)境科學(xué)中滲流與溫度的相互作用會影響到滲流場和溫度場的分布從而影響生物的生存環(huán)境。高寒地區(qū)工程的凍融破壞作用例如路基凍脹穩(wěn)定問題寒區(qū)隧道的凍脹破壞等這些都是滲流和溫度的耦合問題。為了揭示凍融作用下滲流場和溫度場的變化規(guī)律建立了描述滲流場及溫度場耦合的偏微分方程其中滲流方程中考慮了溫度作用引起的介質(zhì)滲透特性的變化和水量變化及溫度梯度對滲流的影響。在溫度方程中考慮了相變對介質(zhì)熱物理參數(shù)的影響及水流動引起的對流作用影響。然后利用多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics成功的求解該方程組通過算例與Lunardini的解析解進(jìn)行了對比驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的合理性。最后通過一個凍結(jié)壁算例計(jì)算了在水流和熱傳導(dǎo)作用下的凍融情況和溫度場的變化規(guī)律。結(jié)果表明溫度場對滲流場分布有一定的影響?yīng)Ｍ瑯訚B流對凍融作用的影響顯著在凍融和滲流的作用下溫度場發(fā)生了明顯的變化。
凍融問題滲流場和溫度場耦合數(shù)值模擬.pdf
展開 Ansys Lumerical | 光纖布拉格光柵溫度傳感器的仿真模擬
步驟2:EME-計(jì)算光柵的溫度相關(guān)透射/反射響應(yīng)
我們分析了光柵在多個周期內(nèi)的透射/反射值，模擬區(qū)域中只包括光柵的單個周期，但通過使用“周期性”和“波長掃描”特征可以獲得長光柵的寬帶響應(yīng)。然后，我們掃描溫度，并將傳輸/反射響應(yīng)導(dǎo)出為S參數(shù)，S參數(shù)可用于隨后的電路模擬。
布拉格波長與溫度的關(guān)系如圖顯示，相對于室溫下的值，其在1.000攝氏度時偏移15.6納米。
還可以得到光柵在給定溫度范圍內(nèi)的靈敏度。靈敏度定義如下：
考慮到參考文獻(xiàn)中缺乏有關(guān)材料的信息，模擬的靈敏度（9.4 pm/℃）與公布的結(jié)果(7.2 pm/℃)存在差異。這種差異可能主要來自材料參數(shù)的差異，而參考文獻(xiàn)中并未完全提供這些參數(shù)。
該腳本還提取與溫度相關(guān)的S參數(shù)，并將其保存為S參數(shù)文件格式（fbg_S_param_T.dat），以便在下一步進(jìn)行 interconnect 電路模擬。
步驟3：INTERCONNECT-光子電路模擬
使用光學(xué)時間調(diào)制 S 參數(shù)元件將與溫度相關(guān)的S參數(shù)導(dǎo)入 INTERCONNECT，用于模擬 FBG 溫度傳感器。我們掃描溫度并測量傳感器在不同溫度下的反射光譜。當(dāng)需要附加 PIC 元件對 FBG 的整體性能的影響時，該電路模型仿真是有用的。
FBG 溫度的電路模擬需要三個要素：
1、光網(wǎng)絡(luò)分析儀（ONA），既可作為光源又可作為檢測器。
2、代表 FBG 溫度傳感器的光學(xué)時變 S 參數(shù)元件。
3、用作溫度控制器并連接到 FBG 溫度傳感器元件的直流電源。
下圖為電路仿真的原理圖設(shè)計(jì)。按下運(yùn)行按鈕，模擬將計(jì)算溫度傳感器在25°C室溫下的反射光譜。
展開 管道對接2層焊，層間冷卻熔覆溫度場、應(yīng)力場模擬分析
熱源的熱量通過焊接電流、焊接電壓、焊接熱效率等參數(shù)體現(xiàn)的，在本文溫度場分析中，選取焊接電流為 I =180A，焊接電壓為U =12V ，焊接熱效率為η =0.75，有效光斑作用半徑為0.01m，焊接速度為0.1m/s。
04
溫度場計(jì)算的加載和邊界條件
由于實(shí)際焊接中焊縫是慢慢從無到有生長出來的，ANSYS中通過生死單元技術(shù)模擬單元的生長過程，所謂的單元“生死”并不是在加載過程中重新建立焊縫區(qū)域單元，而是在建模初期就已經(jīng)將焊縫區(qū)域模型建好，并完成劃分網(wǎng)格。利用在workbench中插入“生死單元”來模擬焊道的生成。
05
溫度場模擬結(jié)果
計(jì)算得到的熱歷史如圖所示，可知實(shí)現(xiàn)了兩層焊道的層間冷卻和熱源加載。第一道焊接結(jié)束后冷卻60S，進(jìn)行第二道焊接，最后再冷60S。
在熱歷史曲線中可發(fā)現(xiàn)一些異常的點(diǎn)溫度突變，這是因?yàn)榫W(wǎng)格劃分較粗且網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不對應(yīng)造成，后續(xù)可通過細(xì)化網(wǎng)格解決這一問題。
圖3 焊接過程熱歷史圖
如下圖所示為第一道焊接過程中，第15S和第45S時候的溫度分布，可知在第一道焊接中最大溫度約為2700℃。
展開 經(jīng)典模擬案例7-溫度導(dǎo)致的變形模擬（結(jié)果展示）
本人長期從事ABAQUS軟件仿真模擬，擅長平板焊接（高斯面熱源、高斯體熱源、雙橢球熱源、圓臺柱熱源等），基于子程序的摩擦攪拌焊接，壓力電阻焊接，子程序二次開發(fā)（UEXPAN、USDFLD、UHARD、FILM、DISP、DFLUX、CREEP等），基于子程序的相變模擬，裂縫模擬（應(yīng)力強(qiáng)度因子、J積分等），裂紋擴(kuò)展（XFEM擴(kuò)展有限元、cohesive element、cohesive surface、debond），水化熱（基于子程序uexpan、heatval、usdfld等），復(fù)合材料固化（基于子程序uexpan、heatval、usdfld等)，粉末燒結(jié)模擬（基于子程序），蠕變，彈塑性變形模擬，常規(guī)熱力耦合等。
本人只研究ABAQUS一個軟件，因此對軟件認(rèn)識比較深入，對于ABAQUS軟件數(shù)值模擬非常有經(jīng)驗(yàn)，目前已經(jīng)完成有2000+的模擬案例。
如若有技術(shù)支持需要，可聯(lián)系我QQ 284589695。
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