定壓比熱容
關(guān)注創(chuàng)建者：C乘風(fēng)破浪 創(chuàng)建時(shí)間：2021-08-17
定壓比熱容的實(shí)例教程
氣體定壓比熱實(shí)驗(yàn)測(cè)定裝置是由風(fēng)機(jī)、流量計(jì)、比熱議本體、電功率調(diào)節(jié)及測(cè)量系統(tǒng)等四部分組成，如圖所示
比熱測(cè)定儀本體的主要結(jié)構(gòu)是由內(nèi)壁鍍銀的多層杜瓦瓶，空氣進(jìn)出、口，熱空氣出口測(cè)溫?zé)犭娕迹娂訜崞骱途骶W(wǎng)，絕緣墊，旋流片和混流網(wǎng)等組成。
單位物理的物體溫度每升高1度所需的熱量為比熱容。熱動(dòng)力裝置中工質(zhì)的吸熱和放熱都是在接近容積不變或壓力不變的條件下進(jìn)行，因此定容比熱和定壓比熱具有現(xiàn)實(shí)意義。本篇文檔針對(duì)杜瓦瓶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，并進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，仿真了實(shí)驗(yàn)測(cè)定氣體定壓比熱容的過程，并計(jì)算得到水蒸氣的質(zhì)量流量、濕空氣的絕對(duì)壓力、干空氣的質(zhì)量流量、水蒸氣的吸熱量以及最后計(jì)算得到平均定壓比熱容。
感興趣的朋友可下載模型了解詳細(xì)過程
展開 液冷散熱器中的流動(dòng)過程通常為無相變的強(qiáng)制對(duì)流傳熱，流體的密度ρ，動(dòng)力粘度μ，導(dǎo)熱系數(shù)λ和定壓比熱容cp都會(huì)影響流體的傳熱能力。
h=f(ρ,μ,ν，ι,λ,cp) （2）
式中：
ρ——密度，kg/m3；
μ——?jiǎng)恿φ扯龋琍a·s；
ν——速度，m/s；
ι——特征長度，m；
λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；
cp——定壓比熱容，J/（kg·K）。
2
對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算
為了計(jì)算管內(nèi)冷媒流動(dòng)時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)h，下面引入努塞爾（Nusselt）數(shù)。努塞爾數(shù)用于衡量對(duì)流換熱強(qiáng)烈程度。
（3）
由努塞爾數(shù)可得對(duì)流換熱系數(shù)求解：
（4）
因此，只需要求得努塞爾數(shù)即可計(jì)算出管內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)。
展開 對(duì)于氣體中的聲速，就有K=rP，P是壓強(qiáng)，r為絕熱系數(shù)，如該氣體可認(rèn)為是理想氣體，則其絕熱系數(shù)r就是定壓比熱容與定容比熱容之比，即；固體中聲速的計(jì)算公式為，于是就有，是泊松比。
材料對(duì)聲能的吸收可以用Volumetric Drag coefficient來描述，其表達(dá)式為，F(xiàn)是力，V是體積，v是速度。它可以使聲強(qiáng)隨距離以指數(shù)規(guī)律衰減，可以輸入成一個(gè)隨頻率變化的參數(shù)。
5. 求解類型設(shè)定
在Abaqus中求解類型在Step中設(shè)定，Procedure type 選擇 Linear perturbation，一般用 Steady-state dynamics, Direct 方法。
Lower Frequency為求解的最低頻率，Upper Frequency 為求解的最高頻率，Number of Points 為求解的頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)，Bias控制這些點(diǎn)的分布規(guī)律。
6. 邊界條件設(shè)定
在Interaction中輸入聲場(chǎng)求解區(qū)域與外部空間的相互作用。缺省的外部邊界條件為剛性壁面邊界條件。首先要?jiǎng)?chuàng)建接觸屬性Acoustic impedance ，Impedance是聲阻抗，Admittance是聲導(dǎo)納，它們互為倒數(shù)，都是復(fù)數(shù)值。如果將導(dǎo)納設(shè)為0，則為剛性壁面屬性，與不加任何邊界條件效果相同。編輯Interaction中Nonreflecting為設(shè)置完全吸收邊界條件的選項(xiàng)。
7. 載荷和聲源
聲載荷Acoustic pressure也就是聲壓，在邊界條件里添加，也是一個(gè)復(fù)數(shù)值。
8. 網(wǎng)格劃分
首先要確保把單元種類選為聲學(xué)單元如AC3D20，這里選用二次單元是經(jīng)過一番比較的。
展開 三維不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)方程為:
式中:ρ為密度，kg/m3;c為定壓比熱容，J/(kg·℃);t為溫度，℃;T為時(shí)間，s;λ為熱導(dǎo)率，W/(m·℃);Q為內(nèi)熱源密度(此處為金屬液凝固時(shí)釋放的潛熱)，W/m3。
因?yàn)檎麄€(gè)輻射傳熱過程為封閉系統(tǒng)，所以不必考慮兩圓柱體與外界的傳熱。
1.5材料性能參數(shù)
材料性能參數(shù)
1.6 建立ANSYS有限元模型
根據(jù)圓柱體結(jié)構(gòu)特征，定義其ANSYS單元類型為Thermal Solid實(shí)體單元;而后采用ANSYS中的實(shí)體建模工具構(gòu)建其模型，建模完畢對(duì)鑄件局部采用映射(Mapped)方式網(wǎng)格剖分。其他部分則利用智能網(wǎng)格劃分器自由剖分，以達(dá)到所需部位網(wǎng)格細(xì)化的目的，從而兼顧計(jì)算精度和運(yùn)算速度。鑄件劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。
1.7加載求解
指定分析類型為Steady-state;先作穩(wěn)態(tài)分析，確定本文第1. 3節(jié)初始條件及本文第1. 4節(jié)邊界條件，設(shè)置穩(wěn)態(tài)分析時(shí)間步長為O.Ols，施加溫度載荷、對(duì)流載荷，得到初始溫度場(chǎng)分布，將其作為整個(gè)瞬態(tài)分析過程的初始溫度場(chǎng);打開時(shí)間積分選項(xiàng)，設(shè)置計(jì)算終止時(shí)間為16200s，進(jìn)行瞬態(tài)分析，著重研究該時(shí)間段內(nèi)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。
1.8模擬結(jié)果及分析
從上面分析可以看出，如果不采取措施，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能不準(zhǔn)確。使結(jié)果不準(zhǔn)確的主要因素是多方面的，例如它們的吸收率(或反射率)、物體的形狀和大小及其相互間的位置與距離的影響。
因此可以采用隔熱性能良好的材料，避免將由壁面 以對(duì)流和輻射兩種方式散失于周圍環(huán)境中的熱量。
從本例建立有限元模型、設(shè)置材料性能參數(shù)等可知，可以選擇適當(dāng)壁厚、絕熱性能良好的材料，來控制零件輻射傳熱過程溫度場(chǎng)分布。
2 結(jié)語
本文在結(jié)合輻射傳熱過程的基礎(chǔ)上，給出一種對(duì)其溫度場(chǎng)應(yīng)用ANSYS軟件模擬仿真的簡(jiǎn)單方法。
展開 聲速可通過下式進(jìn)行計(jì)算：
對(duì)于理想氣體，聲速計(jì)算方式可表示為：
式中，γ為絕熱指數(shù)，定壓比熱容與定容比熱容的比值；R為普適氣體常數(shù)。
當(dāng)馬赫數(shù)小于0.2通常認(rèn)為流體不可壓縮；M<1為亞音速，M=1為音速，1<M<5為超音速，M>5為高超音速。從亞音速加速到超音速的流動(dòng)稱為跨音速流動(dòng)。
Echert數(shù)
埃克特?cái)?shù)[6]表示流動(dòng)動(dòng)能與邊界層焓差之間的關(guān)系，用于表征散熱。
式中，ΔΤ為特征溫差。
大的埃克特?cái)?shù)表示高粘性耗散，對(duì)于小的埃克特?cái)?shù)（Ec＜＜1），可以忽略能量方程中的一些項(xiàng)（如粘性耗散，體積力等）
Froude數(shù)
弗勞德數(shù)[7]（Fr）表征慣性力與重力的相對(duì)大小。
Fr數(shù)用于度量部分浸沒的物體在流體中的阻力，較高的Fr值表示較高的流體阻力。
Weber數(shù)
韋伯?dāng)?shù)[8]（We）表征慣性力與表面張力的相對(duì)大小。
式中，σ為表面張力系數(shù)。
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定壓比熱容的最新內(nèi)容
工況特性：速度入口：4m/s入口流體溫度：323.15K壁面溫度：303.15K壓力環(huán)境：8.1MPa變物性參數(shù)：密度、粘性系數(shù)、定壓比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容比。計(jì)算收斂性：各殘差均收斂至1e-6。
能量守恒方程：
式中：CP為定壓比熱容；T為溫度；k為熱導(dǎo)率；Q為能量方程的源項(xiàng)。
電磁場(chǎng)方程：
電流連續(xù)方程：
歐姆定律：
安培環(huán)流定律：
式中：σ為電導(dǎo)率；φ為電勢(shì)；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；μ0為真空磁導(dǎo)率。
熱源模型：
選用高斯分布熱源模型：
式中：qa為距電弧加熱光斑中心r處的熱源密度；qm為最大熱流值；r為距離電弧斑點(diǎn)中心距離；R為電弧加熱半徑。
對(duì)于氣體中的聲速，就有K=rP，P是壓強(qiáng)，r為絕熱系數(shù)，如該氣體可認(rèn)為是理想氣體，則其絕熱系數(shù)r就是定壓比熱容與定容比熱容之比，即；固體中聲速的計(jì)算公式為，于是就有，是泊松比。
材料對(duì)聲能的吸收可以用Volumetric Drag coefficient來描述，其表達(dá)式為，F(xiàn)是力，V是體積，v是速度。它可以使聲強(qiáng)隨距離以指數(shù)規(guī)律衰減，可以輸入成一個(gè)隨頻率變化的參數(shù)。
5.
wx_fmt=jpeg" width="100%"> </p><p>href為參考焓reference enthalpy，Tref為參考溫度reference temperature，cp為定壓比熱容</p><p>這里的參考值，在Fluent中的Reference Values可以看到，我們?cè)谖恼氯濉luent阻力系數(shù)問題中也有提到。
通過聲波連續(xù)性方程、聲波運(yùn)動(dòng)方程、理想氣體狀態(tài)方程，得到了著名的Helmholtz聲學(xué)波動(dòng)方程：
式中：拉普拉斯算子
；
為聲波在流體介質(zhì)中的傳播速度；
c與時(shí)間t的關(guān)系為；
為氣體定壓比熱容與定容比熱容之比
其中， x 方向表示厚度方向， y、 z 方向表示平行于電池方向面的水平方向和豎直方向， x、 y、 z 方向?qū)嵯禂?shù)分別為：
電池單體的定壓比熱容Cp 一般視為常數(shù)，其數(shù)值大小與各組成材料的性質(zhì)有關(guān)，通過質(zhì)量加權(quán)法計(jì)算得到
電池單體的密度由電池質(zhì)量與電池體積之比得到電池平均密度
根據(jù)式（2） – 式（5）得到電池相關(guān)的熱物性參數(shù)，液冷板和下殼體的材料為鋁
液冷散熱器中的流動(dòng)過程通常為無相變的強(qiáng)制對(duì)流傳熱，流體的密度ρ，動(dòng)力粘度μ，導(dǎo)熱系數(shù)λ和定壓比熱容cp都會(huì)影響流體的傳熱能力。
在壓強(qiáng)不變的情況下，溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量稱為定壓比熱容。
23熱導(dǎo)率(Thermal conductivity)
熱導(dǎo)率過去稱為導(dǎo)熱系數(shù)或熱傳導(dǎo)系數(shù)，反映物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力。
在壓強(qiáng)不變的情況下，溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量稱為定壓比熱容。
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熱導(dǎo)率(Thermal conductivity)
熱導(dǎo)率過去稱為導(dǎo)熱系數(shù)或熱傳導(dǎo)系數(shù)，反映物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力。
本篇文檔針對(duì)杜瓦瓶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，并進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，仿真了實(shí)驗(yàn)測(cè)定氣體定壓比熱容的過程，并計(jì)算得到水蒸氣的質(zhì)量流量、濕空氣的絕對(duì)壓力、干空氣的質(zhì)量流量、水蒸氣的吸熱量以及最后計(jì)算得到平均定壓比熱容。
感興趣的朋友可下載模型了解詳細(xì)過程
