COSMOSWorks的热分析题

fjs

有这样一道题：
一个200X200X200mm壁厚为10mm金属盒物体从常温下迅速放入气体（如：乙炔或炳烷）喷射燃烧的火场中，物体被火焰完全包围。火场温度恒定在1000度，热流密度恒定在180KW/M2。求金属盒物体内表面温度达到600度时所需要的时间。
首先这是一道瞬态热分析题，物体被放入火场后，是否可定义金属盒外表面的热量主要来自火场的对流和辐射。然后通过导热将热传至金属盒内表面。
$ b0 A! ]# v4 f  ]! w, b我的问题是怎样在COSMOSWorks中定义火场的对流系数和辐射。
3 R1 I2 P' W; w) C; z& ^# P恳切希望高手和专家指点一二。

fjs

怎么,人气太不旺了!!

fjs

可否这样进行设置：
# M4 ?/ L, j- d% N" w, j# }9 M1.先设置金属盒初始条件:既初始温度25度。
, m! w  U# f( l: I/ J  Y2 J2.在设置边界条件。
边界条件的设置是否将3种条件都纳入，即：
a 在金属盒外表面设置热流密度180KW/M2。
b 在金属盒外表面进行对流系数设置，并将总温度设置为1100度。
' y& b' ?6 E7 u! \  ?4 Ac 设置火焰对金属盒外表面辐射。
  G, `( G! {" o9 W  N3 K7 x1 w另外，由于火焰对金属盒的外表面进行喷射，其火场对金属盒外表面的换热可否认为主要来自对流换热。火焰的辐射换热可否忽略。

timepushes

我做过类似的问题，但是要找一找，现在暂时想不起来。等一下。

fjs

先谢谢这位仁兄了!!

timepushes

原帖由 fjs 于 2007-7-26 23:33 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif
我的问题是怎样在COSMOSWorks中定义火场的对流系数和辐射 ...

) r- j# B+ e% Q4 i+ E我现在才看清楚你需要的东西，这个对流系数（convection coefficient或者被称为film coefficient）需要在“载荷/约束（Load/Restraint）”中进行定义的。操作过程如下：鼠标右击“载荷/约束（Load/Restraint）”，在弹出的菜单中选择“Convection...”（也就是“对流...”），然后出现属性定义框，首先选择需要定义对流系数的物体表面，然后在“Convection Coefficient”框中输入你需要的对流系数（单位是：W/(m^2.K)），该框下面还有一个环境温度的设置（Bulk Temperature），在此你可以输入你所需要的1000度火场温度。

timepushes

补充一点，你的帖子没有说清楚该物体进入火场之后，火场喷射出来的1000度的火焰作用在该物体的哪一个表面？如果仅仅是朝着该物体的某一个表面喷射1000度的火焰，那么我认为只能把这1000度的火焰作为该物体承受火焰的那一个表面的初始温度条件（也就是边界条件）来处理，而不能当作“环境温度（Bulk Temperature）”来输入和处理，原因很明显，因为该物体只有某一个表面在承受1000度的火焰，而其他的表面的温度升高都是依靠此表面在承受1000度火焰之后因为物体的热传导作用才上升的。

fjs

首先非常感谢timepushes 仁兄！
) L. @4 T+ h* w! p火场喷射出来的1000度的火焰作用在该物体的所有外表面。为了接近使每个面所处的火场环境温度都达到1000度，在实际试验中，我们动用了4个喷头，目的就是想使金属盒处于相对均匀的1000火场中。
我的目的就是想要求解金属盒从25度的环境中快速进入温度1000度，热流密度180KW/M2的火场中，金属盒外表面从25度升温到1000度这一段时间的非稳态传热过程。
在这之前我做的题忽略了这一过程。直接设定金属盒外表面温度1000度。这样求解出的内部温度因该偏高。但两者的偏差有多大我不得而知。所以这个偏差也是我想知道的。至于能不能忽略辐射的影响看来还是得通过试验的验证了。物体表面火场的传热系数（对流系数）在COSMOS中我会设定了。再一次感谢仁兄。不知仁兄可否知道在这种火场条件下，火焰喷射到金属盒外表面的对流系数大概值或大概范围。

fjs

有问题了!
我在COSMOS中金属盒外表面设置了对流系数和总温度1000度。当然之前在金属盒外表也设置了热流密度180KW/M2。求解了几步后，看了看结果：结果显然不对，首先金属盒外表有一个面温度很低，其余面的温度高于1000度。热量向内传递也不均匀。
怎样更合理模拟火场对金属盒外表面的传热过程。
7 l. b' w) ?; q/ a- @/ o仁兄有什么好的办法吗？谢谢啦！！

timepushes

原帖由 fjs 于 2007-7-30 20:25 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif
, U; C- E5 u' y0 w& I4 L0 I8 h火焰喷射到金属盒外表面的对流系数大概值或大概范围 ...

" V  W' h8 \: {5 E7 g" g4 E0 ]不客气。但是对流系数这个问题有点难搞。因为这个数据大概要通过实验确定了。如果你们公司实验条件允许，可能要做实验来确定它。我偶然看到一篇帖子，很简单的几句话，根据对流系数的单位和定义（即：温度升高一度，在一平方米的面积上，发散出去的热量是多少瓦特，便是对流系数了），通过实验来确定：

http://www.chinavib.com/space/html/14/t-42814.html

3 S- `. R6 L) y; {7 i1 p0 K譬如说：你们的火焰喷射装置的功率是多少瓦特（举个例子：假设是1000瓦，即每秒钟送出1000焦耳的热量），朝着一个面积为一平方米的金属板喷射火焰，持续喷射十秒钟，便是10000瓦，该金属板被喷射前的温度是20度，经历了十秒钟的喷射之后的温度是520度，温差为500度，那么对流系数为：10000/(500*1)=20W/(C*m^2)。

timepushes

原帖由 fjs 于 2007-7-31 13:06 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif
3 l% I3 C# N( y) n, P) L1 V6 z有问题了!
, |1 y. b# E9 W  k- p0 n我在COSMOS中金属盒外表面设置了对流系数和总温度1000度。当然之前在金属盒外表也设置了热流密度180KW/M2。求解了几步后，看了看结果：结果显然不对，首先金属盒外表有一个面温度很低，其余面的温度 ...

这个有点难，如果是我，我估计要通过不断尝试设置cosmosworks的热分析参数来寻找与实际状况最符合的设置经验了。其中，热流密度也是必须要在“Load/Restraint”中设置的边界条件。
9 c5 e" _9 H/ J. D* N1 Z; L
另外，我还有个想法，你需要自己作尝试确定一下。那个1000度高温的火焰是否真能够当作“环境温度（bulk temperature）”来设置可能还需要探讨，因为在“Load/Restraint”中还有一个选项是“Heat Power”，这个选项的意思就是说：你要把功率为多少瓦热量传递给那个金属盒。你进入“Heat Power”之后，它会要你选择一个发热的实体，以及发热的方向，我估计你的三维模型只有一个金属盒，你可以增加四个类似火焰枪的东东（这应该是装配体了），把这四个东西当作火焰枪，火焰枪应该有功率数据吧？把这个功率数据作为Heat Power输入（单位：W），热流的方向是各自分别朝着金属盒的四个表面。那个1000度火焰温度就算了，不要了。如果这样还不正确，那就把火焰枪的火焰出口处的温度设置为1000度，作为边界条件。

9 q1 t# b* {7 O& _只能这样尝试下去了，直到发现符合你们实际的测量值为止。其实有限元法经常会遇到与实际不符合的情况，即使计算模型没有错，也会遇到不符合的情况，主要是现实中的工程实际情况太复杂了。你试试看，有什么进展也烦请告诉我一声。谢谢。

fjs

非常感谢仁兄的慷慨陈述。
我也在想模拟火场对金属盒外表面的传热过程看来是不能用对流项里的对流系数和“环境温度（bulk temperature）”。如果计算发热体的散热效果，用该项边界条件还行。看来我对我对该软件的这项功能理解有误。即使我得到了较准确的对流系数，也不能简单的作为发热场的边界条件。我放弃了这种设置。
9 A6 [1 Q; ^# `" u  U另外，我还是运用了先前的方法。直接设定金属盒外表面温度1000度和热流密度。虽然达到规定内腔温度的时间比实际较快，但其结果表现形式比较等同真实情况。
: B: E5 L. \: W2 t6 R1 u仁兄的方法是以导热传热方式来模拟火场。模拟火场对金属盒外表面的传热过程看来还有待探讨。
% X& d1 O* L+ r0 q$ d$ h, B% D$ R再次感谢仁兄！！！！实际和理论模拟比较情况有什么进展我会告诉你的。谢谢探讨。

timepushes

原帖由 fjs 于 2007-7-31 19:48 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif
; y8 L; q; Z) t4 d: h. v% `4 m非常感谢仁兄的慷慨陈述。
: a1 F( J' s2 n9 u4 G我也在想模拟火场对金属盒外表面的传热过程看来是不能用对流项里的对流系数和“环境温度（bulk temperature）”。如果计算发热体的散热效果，用该项边界条件还行。看来我对我对该软件 ...

' X! W, [2 I1 V  a5 U不客气。非常感谢探讨！每一次探讨都是学习。谢谢！期待着能够看到你找出最符合实际情况的cosmosworks热分析的经验设置方案，请别忘记告诉我一声。谢谢！

fjs

又有新的问题了:
( o4 D- G, j4 I3 U, [我设置了金属盒外表面的热流密度和温度,其中我把金属盒外表面的温度设置改为随时间变化。
9 d, S2 p' N# E& L' F" ~" g9 N7 P; d" A计算还是用瞬态。但求解完后，用探测方法探测金属盒外表面的某个节点温度时发现：该节点温度在整个计算步中始终是最高温度，没有按先前设置的变化。为什么啊！不得其解。
仁兄可否知道！谢谢！！

timepushes

原帖由 fjs 于 2007-7-31 19:48 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif
另外，我还是运用了先前的方法。直接设定金属盒外表面温度1000度和热流密度。虽然达到规定内腔温度的时间比实际较快，但其结果表现形式比较等同真实情况。...

原帖由 fjs 于 2007-8-1 19:01 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif
用探测方法探测金属盒外表面的某个节点温度时发现：该节点温度在整个计算步中始终是最高温度，没有按先前设置的变化...

* u( t$ l  i" W不客气。因为我看不到你在cosmosworks中具体是如何设置的，但是从你的反馈来看，请看上面的两段话中被下划线注释出来的内容。因为你首先设定了外表面的温度是1000度，那么外表面上所有节点的温度便是1000度了，所以如果再继续设置外表面的温度还要随时间而变化，其实这种随时间变化的设置已经没有意义，因为已经设置好的1000度属于场问题的第一类边界条件，英语里面称之为 forced boundary condition，也就是强制性的边界条件。这个强制性温度的边界条件与后来的时变设置产生冲突，所以二者必定要取其一，估计取了前者（即：强制性的边界条件）。所以我估计是这个原因导致外表面的该节点在随后的物体升温过程中保持温度不变。继续探讨。谢谢。

timepushes

另外，请问一下 fjs 老乡：这个题目是来自什么领域？是什么工程背景？能否详细介绍一下？谢谢。

eden163

谢谢这位仁兄了!!

timepushes

不客气，各位兄弟。今天我偶然想起过去的一个例题，是我大学时候的教材里面的一道例题，正好和这道题目十分相关，而且我发现楼主的这个题目里面蕴含的名堂大了！！！我现在用数码相机把我的大学时候的教材拍摄下来，就拍相关的那两页纸，明天我贴上来，就知道怎么回事了。稍等！！！

fjs

仁兄你看错了!
% j! q2 h0 m! S& R: p& A" q! ~. O* V设置外表面的温度1000度的算法是我的第一种算法。第二种算法就将外表面的温度改为可变的了（随时间变化）。其变化是：开始点是25度，第二点是1000度，第三点是1000。模拟金属盒进入火场后外表面的温度由室温25度在一段短时间内升至1000度，然后保持稳定一直到结束。其计算结果如前所述。

fjs

我开始怀疑是热流密度引起的，后来去掉了热流密度边界条件，只保留温度。其结果还是一样!不得其解啊!
% z, b9 s3 O# t5 a* C! R不过我正在尝试另一种方法:增加了温度传感器条件，这样的话，感觉比较帖和实际情况。但该种方法计算量太大。我正在进行中。待结果出来后再看！！！

timepushes

如果是这样的话，那就真得很奇怪了。你用得cosmosworks是哪一年的版本？2006还是2007？无论怎么说，既然已经给某点设置了时变的温度，而且在具体的时刻已经设定了具体的温度值，那么至少在设定好的时刻温度不应该再有改变。你遇到的情况确实奇怪。我现在贴图，我拍摄的书本上的一个例子，参考参考。

timepushes

看看这两张图片上的例子，前一个例子是把研究对象的外界的介质的温度设置为100度和0度，而第二张图片上是把这100度和0度当成研究对象本身的边界温度条件，计算出来的结果有差别，虽然在这个算例中表现出来的计算结果的差别不大，但是说明这两种设置方案代表了对同一个研究对象的两种不同的理解。我个人经验认为实际工程中的热问题或者其他的结构分析问题是可以建立很多各种不同有限元模型的，至于哪一个是最准确的，这还是需要不断尝试的经验来完成。有兴趣可以看看这两张图片。谢谢。

timepushes

原帖由 fjs 于 2007-8-3 19:16 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif
/ u5 V( [" H# z' G7 \5 |我开始怀疑是热流密度引起的，后来去掉了热流密度边界条件，只保留温度。其结果还是一样!不得其解啊!
- b7 c- P+ i( B# ]5 x# u不过我正在尝试另一种方法:增加了温度传感器条件，这样的话，感觉比较帖和实际情况。但该种方法计算量太大 ...

好，希望有好消息传来。瞬态情况下温度不变，这确实非常奇怪，难道cosmosworks有bug？

fjs

我用的是CMWORK2006。有兴趣的话仁兄可以试一下！！！
' c9 c/ w/ h  a! a谢谢仁兄提供教材！！！

fjs

timepushes 仁兄:
' p9 r. T# P2 B* q2 \增加了温度传感器条件,计算后从外表面的温度变化情况来看效果不错。传热过程在我看来等同于实际情况。至于内腔温度的准确率我还要进行相应的物理试验来验证。
  y/ W+ x8 s' Y/ Y9 t9 i希望仁兄多发表些建议和观点。感谢仁兄支持回帖！