溫度場數(shù)學(xué)模型與數(shù)值求解

,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,*,材料成形模擬技術(shù)講義,第3章 溫度場數(shù)學(xué)模型與數(shù)值求解,華中科技大學(xué) 周建新,Tel:027-87541922,Email:,1,主要內(nèi)容,1、傳熱的基本方式,2、傳熱分析的常用數(shù)值分析方法,3、溫度場數(shù)學(xué)模型,4、基于有限差分方法的離散,5、初始條件與邊界條件,6、潛熱處理,7、溫度場數(shù)值模擬流程圖,2,第一節(jié) 傳熱的基本方式（1/4）,1.熱傳導(dǎo),2.熱對流,3.熱輻射,3,第一節(jié) 傳熱的基本方式（2/4）-熱傳導(dǎo),物體各部分之間不發(fā)生相對位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。在緊密地不透明的物體內(nèi)部，熱量只能依靠導(dǎo)熱方式傳遞。,只有在物體處于不同溫度時(shí)，熱量才能從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，或從物體的某一部分傳遞到物體的另一部分。熱總是從溫度高的地方流向溫度低的地方，鑄件凝固冷卻時(shí)，鑄件內(nèi)部的溫度高于外界，因此鑄件內(nèi)部向其外側(cè)以及鑄型傳遞熱量。,在三維迪卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)，連續(xù)介質(zhì)各點(diǎn)在同一時(shí)刻的溫度分布叫做溫度場，溫度場的一般可表達(dá)為T=(x,y,z,t)。若溫度場不隨時(shí)間變化，則稱做穩(wěn)定溫度場，由此產(chǎn)生的導(dǎo)熱為穩(wěn)定導(dǎo)熱；若溫度場隨時(shí)間改變，則稱做不穩(wěn)定溫度場，不穩(wěn)定溫度場的導(dǎo)熱為不穩(wěn)定導(dǎo)熱。,導(dǎo)熱的基本定律是Fourier定律，F(xiàn)ourier定律的具體內(nèi)容我們在后面再闡述。,4,第一節(jié) 傳熱的基本方式（3/4）-熱對流,熱對流是指流體中溫度不同的各部分相互混合的宏觀運(yùn)動(dòng)引起熱量傳遞的現(xiàn)象。熱對流總與流體的導(dǎo)熱同時(shí)發(fā)生，可以看作是流體流動(dòng)時(shí)的導(dǎo)熱。對流換熱的情況比只有熱傳導(dǎo)的情況復(fù)雜。對流換熱可以用Newton冷卻定律來描述，即,對流換熱按引起流動(dòng)運(yùn)動(dòng)的不同原因可分為自然對流和強(qiáng)制對流兩大類。自然對流是由于流體冷、熱部分的密度不同而引起的，如暖氣片表面附近熱空氣向上流動(dòng)就是自然對流。如果流體的流動(dòng)是由于水泵或其他壓差所造成的，則稱為強(qiáng)制對流。,式中，,q,為熱流密度；,為對流換熱系數(shù)；,為流體的特征溫度；,為固體邊界溫度。,5,第一節(jié) 傳熱的基本方式（4/4）-熱輻射,物體通過電磁波傳遞能量的方式稱為輻射。物體會因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。自然界中各個(gè)物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷地吸收其它物體發(fā)出的熱輻射。發(fā)出與吸收過程的綜合效果造成了物體間以輻射方式進(jìn)行了熱量傳遞。輻射換熱可以用Stefen-Boltsman定律來描述，即,式中，q為熱流密度;,為表面的絕對溫度,；,為輻射黑度；,為,Stefen-Boltsman,常數(shù)。,6,第二節(jié) 傳熱分析的常用數(shù)值分析方法,（1/3）,數(shù)值方法是進(jìn)行數(shù)值模擬的重要方面，前面提到目前比較常用的數(shù)值方法有：有限差分法、有限元法、直接差分法、邊界元法。對于鑄造凝固過程CAE技術(shù)來說，主要是采用有限差分法、有限元法，前面的章節(jié)已對這兩種方面進(jìn)行了較為詳細(xì)地介紹，下面對采用這兩種方法如何進(jìn)行傳熱分析做一個(gè)簡要說明。,7,第二節(jié) 傳熱分析的常用數(shù)值分析方法,（2/3）,1 有限差分法,有限差分法，又稱泰勒展開差分法，是最早用于傳熱的計(jì)算方法。該方法具有差分公式導(dǎo)出簡單和計(jì)算成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)值分析方法。有限差分方法，其實(shí)質(zhì)就是將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)網(wǎng)格單元，將微分問題化為差分問題，離散化得到差分格式，利用差分格式來求解相應(yīng)問題。用有限差分來求解不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程可按如下的步驟進(jìn)行：將不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程所涉及的區(qū)域在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散化處理；物性條件、初始條件和邊界條件的設(shè)定；寫出單元差分格式；將求解的過程編成計(jì)算程序，由計(jì)算機(jī)算出結(jié)果，得到溫度場相關(guān)結(jié)果。,8,第二節(jié) 傳熱分析的常用數(shù)值分析方法,（3/3）,2 有限元法,有限元法求解導(dǎo)熱問題是利用微分方程邊值問題等價(jià)于相應(yīng)變分問題這一特點(diǎn)的。用有限元法求解不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程可歸納為如下的步驟：將不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程所涉及的區(qū)域在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散化處理；物性條件、初始條件和邊界條件的設(shè)定；寫出單元泛函數(shù)表達(dá)式；構(gòu)造每個(gè)單元的插值函數(shù)；求得泛函數(shù)極值條件的代數(shù)方程表達(dá)式；構(gòu)造代數(shù)方程組；將求解的過程編成計(jì)算程序，由計(jì)算機(jī)算出結(jié)果，得到溫度場相關(guān)結(jié)果。,9,第三節(jié) 溫度場數(shù)學(xué)模型,Fourier equation:,三維場合：,二維場合：,一維場合：,10,第四節(jié) 基于有限差分方法的離散（1/8）-二維場合,二維差分單元i的的熱平衡關(guān)系圖,在二維情況下，對傅立葉熱傳導(dǎo)微分方程進(jìn)行基于有限差分法的離散。如右圖所示，單元i是一邊長為x的正四邊形單元，它與相鄰的四個(gè)單元進(jìn)行熱量交換。,11,第四節(jié) 基于有限差分方法的離散（2/8）-二維場合,從相鄰的單元1、2、3、4單元i的熱量總和Q,SUM,為：,在微小的時(shí)間t內(nèi)，單元i吸收的的熱量Q為：,12,第四節(jié) 基于有限差分方法的離散（3/8）-二維場合,根據(jù)能量守恒定定律得:,整理得：,變形得：,13,第四節(jié) 基于有限差分方法的離散（4/8）-二維場合,由上式知，單元i在t+t時(shí)刻的溫度等于t時(shí)刻自身溫度以及相鄰4個(gè)單元溫度的線性組合。顯而易見，如果相鄰單元溫度高或低，單元i的溫度也相應(yīng)地大或?。涣硗鈴奈锢砗x來說，單元i在t時(shí)刻溫度高，則其在t+t時(shí)刻的溫度也應(yīng)該高，即等式右邊第一項(xiàng)系數(shù)必須不小于零，即,式中：,整理得：,14,第四節(jié) 基于有限差分方法的離散（5/8）-三維場合,在三維場合下，對傅立葉熱傳導(dǎo)微分方程進(jìn)行基于有限差分法的離散。如下圖所示，單元i是一邊長為x的正六面體單元，它與相鄰的六個(gè)單元進(jìn)行熱量交換。,三維差分單元i的熱平衡關(guān)系圖,15,第四節(jié) 基于有限差分方法的離散（6/8）-三維場合,從相鄰的單元1、2、3、4、5、6單元i的熱量總和Q,SUM,為：,在微小的時(shí)間t內(nèi)，單元i吸收的的熱量Q為：,16,第四節(jié) 基于有限差分方法的離散（7/8）-三維場合,根據(jù)能量守恒定定律得:,變形得：,整理得：,17,第四節(jié) 基于有限差分方法的離散（8/8）-三維場合,與二維情況一樣，t必須滿足一定條件才能保證數(shù)值解的穩(wěn)定。由上式知，單元i在t+t時(shí)刻的溫度等于t時(shí)刻自身溫度以及相鄰6個(gè)單元溫度的線性組合。顯而易見，相鄰6個(gè)單元溫度的高低，直接影響了單元i在t+t時(shí)刻溫度的大??；同樣，單元i在t時(shí)刻溫度高，則其在t+t時(shí)刻的溫度也應(yīng)該高，即等式右邊第一項(xiàng)系數(shù)必須不小于零，即,式中：,整理得：,對于立方體單元i來說時(shí)間步長t滿足下式,:,18,第五節(jié) 初始條件與邊界條件（1/2）-初始條件,初始條件就是要確定,t=0,時(shí)刻（開始計(jì)算時(shí)刻），各單元的溫度值。,對于三維溫度場,，初始時(shí)刻（,t=0,）的溫度場為,：,鑄件部分：,鑄型部分：,在進(jìn)行初始溫度的設(shè)置時(shí)，可以假設(shè)鑄件“瞬間充型、初溫均布,”,，即可以用如下方程來表示:,19,第五節(jié) 初始條件與邊界條件（2/2）-邊界條件,(1)熱傳達(dá)邊界條件,(2)熱輻射邊界條件,(3)熱觸熱阻邊界條件,(4)完全接觸邊界條件,(5)絕熱邊界條件,(6)溫度為定值的邊界條件,T,=定值,(7)比熱流量為定值的邊界條件,定值,20,第六節(jié) 潛熱處理（1/5）,1 、定義,液相的內(nèi)能E,L,大于固相的內(nèi)能E,S,，因此，當(dāng)合金凝固由液相變?yōu)楣滔鄷r(shí)，必須產(chǎn)生的內(nèi)能變化。這個(gè)內(nèi)能變化（通常用L表示）稱為凝固潛熱，或稱為熔化潛熱（Latent Heat of Fusion）。,2、考慮了析出潛熱的熱能守恒式,21,第六節(jié) 潛熱處理（2/5）,3 、潛熱的處理方法,(1)等價(jià)比熱法,(2)熱焓法,(3)溫度回復(fù)法,(4)改良的等價(jià)比熱法,*假想凝固區(qū)間,22,第六節(jié) 潛熱處理（3/5）,4、采用改良的等價(jià)比熱法的溫度場有限差分格式,23,第六節(jié) 潛熱處理（4/5）,5、跨越凝固區(qū)間或假想凝固區(qū)間時(shí)的溫度校正,24,第六節(jié) 潛熱處理（5/5）,5、跨越凝固區(qū)間或假想凝固區(qū)間時(shí)的溫度校正,25,第七節(jié) 溫度場數(shù)值模擬流程圖,溫度場數(shù)值模擬系統(tǒng)包括三大部分：前處理、計(jì)算分析、后處理。前處理包括含三維造型及網(wǎng)格剖分兩大部分。三維造型主要是將要進(jìn)行分析的對象其三維實(shí)體輸入計(jì)算機(jī)；網(wǎng)格剖分則是將已輸入的三維實(shí)體剖分成計(jì)算所需的網(wǎng)格單元。計(jì)算分析模塊先要進(jìn)行初始條件和邊界條件的設(shè)置，在此基礎(chǔ)上對前處理所得差分網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行溫度場分析。后處理主要任務(wù)是數(shù)據(jù)的可視化，將計(jì)算分析所得的溫度場結(jié)果，真實(shí)、生動(dòng)、形象地顯示出來。此部分需要采用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)，圖形處理技術(shù)等科學(xué)的理論與方法。,26,