Výpočtové nadstavby pro CAD

Podobné dokumenty
U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

Šíření tepla. Obecnéprincipy

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM tepelně-fyzikální parametry

1 Zatížení konstrukcí teplotou

M T I B A ZÁKLADY VEDENÍ TEPLA 2010/03/22

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123MAIN tepelně-fyzikální parametry

TERMIKA II. Stacionární vedení s dokonalou i nedokonalou izolací; Obecná rovnice vedení tepla; Přestup a prostup tepla;

Termomechanika 10. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Přednáška č. 5: Jednorozměrné ustálené vedení tepla

U218 - Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. ! t 2 :! Stacionární děj, bez vnitřního zdroje, se zanedbatelnou viskózní disipací

Termomechanika 9. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Technologie a procesy sušení dřeva

ZÁKLADY STAVEBNÍ FYZIKY

VI. Nestacionární vedení tepla

U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

N_SFB. Stavebně fyzikální aspekty budov. Přednáška č. 3. Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích

Stavební tepelná technika 1 - část A Jan Tywoniak ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební. Stavební fyzika (L)

Vedení tepla v MKP. Konstantní tepelné toky. Analogické úlohám statiky v mechanice kontinua

133PSBZ Požární spolehlivost betonových a zděných konstrukcí. Přednáška A3. ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí

102FYZB-Termomechanika

ODĚVNÍ KOMFORT TERMOFYZIOLOGICKÝ KOMFORT

Teplotní roztažnost Přenos tepla Kinetická teorie plynů

Pružnost a plasticita II CD03

Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Přednáška 2 Princip metody konečných prvků

1 Vedení tepla stacionární úloha

TERMOFYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI. Radek Vašíček

PROCESY V TECHNICE BUDOV 11

5.4 Adiabatický děj Polytropický děj Porovnání dějů Základy tepelných cyklů První zákon termodynamiky pro cykly 42 6.

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

SDÍLENÍ TEPLA A ÚSPORY ZATEPLENÍM I.

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Termomechanika 11. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Řešení 1D vedení tepla metodou sítí a metodou

Nelineární problémy a MKP

Termomechanika 6. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Teplota jedna ze základních jednotek soustavy SI, vyjadřována je v Kelvinech (značka K) další používané stupnice: Celsiova, Fahrenheitova

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

Kontraktantní/dilatantní

Numerické metody. Numerické modelování v aplikované geologii. David Mašín. Ústav hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky

Měření prostupu tepla

MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMODYNAMIKA

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Molekulová fyzika a termika:

Tepelná vodivost pevných látek

ANALÝZA KONSTRUKCÍ. 5. přednáška

Skalární a vektorový popis silového pole

Mechanika s Inventorem

TERMOMECHANIKA PRO STUDENTY STROJNÍCH FAKULT prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. Brno 2013

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov. Modelování termohydraulických jevů 3.hodina. Hydraulika. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

PROCESY V TECHNICE BUDOV 12

VYBRANÉ STATĚ Z PROCESNÍHO INŢENÝRSTVÍ cvičení 8

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

VNITŘNÍ ENERGIE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 2. ročník - Termika

Potenciální proudění

Počítačová simulace tepelných procesů s využitím výpočetních MKP systémů

TERMOMECHANIKA 1. Základní pojmy

Ročník: 1. Mgr. Jan Zmátlík Zpracováno dne:

Úvod do analytické mechaniky

Tepelná technika. Teorie tepelného zpracování Doc. Ing. Karel Daďourek, CSc Technická univerzita v Liberci 2007

VLASTNOSTI VLÁKEN. 3. Tepelné vlastnosti vláken

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Globální matice konstrukce

BH059 Tepelná technika budov přednáška č.1 Ing. Danuše Čuprová, CSc., Ing. Sylva Bantová, Ph.D.

Otázky pro Státní závěrečné zkoušky

Stanovení požární odolnosti. Přestup tepla do konstrukce v ČSN EN

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ APLIKOVANÁ FYZIKA MODUL 4 PŘENOS TEPLA

Vnitřní energie, práce a teplo

ELT1 - Přednáška č. 6

Identifikátor materiálu: ICT 2 54

Dynamika tekutin popisuje kinematiku (pohyb částice v času a prostoru) a silové působení v tekutině.

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Téma sady: Všeobecně o vytápění. Název prezentace: základní pojmy 3

Vnitřní energie. Teplo. Tepelná výměna.

Chlazení polovodičových součástek

Přenos tepla 1: ustálený stav, okrajové podmínky, vliv vlhkosti. Ing. Kamil Staněk, Ph.D. 124XTDI TERMOVIZNÍ DIAGNOSTIKA.

Rovinná úloha v MKP. (mohou být i jejich derivace!): rovinná napjatost a r. deformace (stěny,... ): u, v. prostorové úlohy: u, v, w

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Vedení tepla KATEDRA EXPERIMENTÁLNÍ FYZIKY PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA UNIVERZITY PALACKÉHO V OLOMOUCI

1. FYZIKÁLNÍ ZÁKLADY ŠÍŘENÍ TEPLA

Tepelně vlhkostní mikroklima. Vlhkost v budovách

Obvodové prvky a jejich

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

9/10/2012. Způsoby chlazení VPM, náhradní tepelná schémata. Způsoby chlazení VPM, náhradní tepelná schémata obsah prezentace

Základní škola, Ostrava Poruba, Bulharská 1532, příspěvková organizace

CAD/CAE. Fyzikální model. (fyzikální podstata problémů, počáteční a okrajové podmínky, materiálové modely)

VYBRANÉ STATĚ Z PROCESNÍHO INŢENÝRSTVÍ cvičení 9

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Téma 12, modely podloží

Přehled základních fyzikálních veličin užívaných ve výpočtech v termomechanice. Autor Ing. Jan BRANDA Jazyk Čeština

Termomechanika cvičení

přenosu tepla seznámí s teoretickou stránkou této problematiky, kterou si dále osvojují v následných

Vliv kapilární vodivosti na tepelně technické vlastnosti stavební konstrukce

Tvorba výpočtového modelu MKP

II. VNITŘNÍ ENERGIE, PRÁCE A TEPLO

Transkript:

Výpočtové nadstavby pro CAD 4. přednáška eplotní úlohy v MKP Michal Vaverka, Martin Vrbka

Přenos tepla Př: Uvažujme pro jednoduchost spalovací motor chlazený vzduchem. Spalováním vzniká teplo, které se z horkých stěn válce předává okolnímu vzduchu. eplo se přenáší z místa s vyšší teplotou do místa s nižší teplotou. Přenos tepla: vedením kondukce (u našeho příkladu teplo přechází z vnitřního prostoru válce na vnější povrch válce vedením ve stěně) prouděním konvekce (v našem příkladu horké plyny proudí okolo vnitřních stěn válce a předávají jim teplo a z vnějších stěn válce přejde teplo do okolního vzduchu také konvekcí) zářením radiace (u našeho příkladu objem horkého plynu vyzařuje teplo do okolních stěn) jde o elektromagnetické vlny není třeba medium yto mechanismy byly vysvětleny v ermomechanice

Veličiny eplo (heat) označujeme Q [J] epelný tok (heat flow) označujeme po který toto teplo prochází eplota (temperature) označujeme [K], [ C] Q& Q & [W], je to diferenciální podíl tepla a času, dq = dt eplejší povrch stěna Chladnější povrch

Kondukce Přenos tepla vedením Fourierův zákon Měrný tepelný tok je přímoúměrný velikosti teplotního gradientu a má opačné znaménko q = k. grad( ) záporné znaménko vyjadřuje orientaci toku energie ve směru poklesu teploty tepelná vodivost (vlastnost látky) [W/mK] Měrný tepelný tok (hustota tepelného toku, heat flux) [W/m 2 ] vyjadřuje, jak teplo teče po tělese, je to vektor Např. pro 1D vedení tepla: q = k. d dx

Kondukce Přenos tepla vedením Měrný tepelný tok je přímoúměrný velikosti teplotního gradientu a má opačné znaménko Fourierův zákon q = k. grad( ) záporné znaménko vyjadřuje orientaci toku energie ve směru poklesu teploty eplotní gradient [K/m] tepelná vodivost (vlastnost látky) [W/mK] Měrný tepelný tok (hustota tepelného toku, heat flux) [W/m 2 ] vyjadřuje, jak teplo teče po tělese, je to vektor eplejší povrch stěna Chladnější povrch eplejší povrch stěna Chladnější povrch

Kondukce q = k. grad( ) epelná vodivost - v ANSYSu KXX (thermal conductivity) Materiálová vlastnost, konstanta úměrnosti ve Fourierově zákoně Dá se najít ve strojnických tabulkách Může záviset na teplotě epelná vodivost vzduchu je o 4 řády menší jak např. u mědi nebo hliníku přítomnost plynů v tuhých látkách vytváří tepelné izolanty V Material Properties můžeme zadat závislost veličin (např. KXX) na teplotě:

Konvekce Přenos tepla prouděním Př 1: V našem příkladu motoru chlazeného vzduchem je teplo odnášeno proudem vzduchu. Rychlost proudění media a druh media (voda, vzduch) ovlivní hodnotu přenosu tepla. Rychlost proudění media = rychlost s níž je teplo odváděno pryč Př. 2 Rozžhavenou kovovou desku rychleji ochladíme proudem vzduchu z ventilátoru (nucená konvekce) než v klidném nehybném vzduchu (volná, přirozená konvekce) Je-li deska umístěna v nehybném vzduchu, dá se vzduch do přirozeného pohybu okolo horké desky působením vztlaku vlivem rozdílných hustot vzduchu lehčí vzduch u desky začne stoupat nahoru a vznikne cirkulace - přirozená konvekce Mechanismus konvekce byl vysvětlen v termomechanice, základ konvektivního přenosu tepla je již v mechanice tekutin

Konvekce Přenos tepla prouděním Pro vyjádření účinku konvekce se používá Newtonův ochlazovací zákon. Má-li deska z Př.2 teplotu a okolní vzduch teplotu 0, pak pro tepelný tok platí: Q& = hs..( ) 0 Plocha povrchu eplota povrchu Okolní teplota Koeficient přestupu tepla [Wm -2 K -1 ] film coefficient -může být funkcí teploty nebo času Pro měrný tepelný tok: q= h.( ) 0

Rovnice vedení tepla Stacionární vedení tepla ustálený stav Nestacionární vedení tepla 2 2 2 k.( + + ) + Q = 0 2 2 2 x y z 2 2 2 k.( + + 2 2 2 x y z ) + Q = ρ. c. t tepelná vodivost [Wm -1 K -1 ] teplota [K] měrný tepelný výkon [Wm -3 ] (zdroj tepla) Měrná tepelná kapacita [Jkg --1 K -1 ] Čas [s] Hustota [kgm -3 ] Rovnici je třeba doplnit okrajovými podmínkami

Okrajové podmínky Rovnici vedení tepla je třeba doplnit okrajovými podmínkami, nejčastěji: 1. Předepsaná teplota na části povrchu (na hranici) = * 2. Předepsaný tepelný tok na části povrchu (na hranici) q = q* 3. Konvekci na části povrchu tělesa (na hranici) - tepelný tok na hranici je předepsán pomocí koeficientu přestupu tepla a okolní teploty 0, a vyhovuje rovnici: q= h.( ) 0 (smíšená okrajová podmínka)

Okrajové podmínky 3. Konvekci na části povrchu tělesa (na hranici) - tepelný tok na hranici je předepsán pomocí koeficientu přestupu tepla a okolní teploty 0, a vyhovuje rovnici: q= h.( ) 0

Počáteční podmínky U nestacionární úlohy, kdy je teplotní pole časově proměnné je nutno zadat počáteční rozložení teplot (v čase 0) homogenní: ve všech bodech stejná teplota nebo nehomogenní: nehomogenní teplotní pole se získá řešením předchozí stacionární úlohy a výsledek se použije jako startovní teplotní pole

eplotní úloha v MKP -Vedle napěťově-deformační analýzy je druhá nejrozšířenější -Primární neznámou veličinou při řešení teplotního pole je teplota, která je při diskretizaci nad konečnými prvky aproximována -eplota jako skalární veličina je narozdíl od posuvu plně popsána jedním neznámým parametrem vuzlu -počet neznámých je ve 3D zhruba třetinový -Prvky mají v každém uzlu jako stupeň volnosti (DOF) teplotu

eplotní úloha v MKP Sestavením celkového funkcionálu součtem příspěvků od jednotlivých prvků a využitím podmínky stacionární hodnoty pomocí podobného postupu, který byl uveden u statických úloh dostaneme výslednou diskrétní podobu rovnice vedení tepla ve tvaru kde C. U& + K. U = F C je globální matice tepelné kapacity K je globální matice tepelné vodivosti F je globální matice tepelného zatížení U je matice neznámých uzlových teplot. Stacionární, časově neproměnný problém vedení tepla získáme vypuštěním pravé strany rovnice vedení tepla: K. U = F Jedná se o soustavu obdobnou lineárnímu statickému problému pružnosti.

eplotní úloha v MKP C. U& + K. U = F MU.&& + KU. = F Povšimněme si následujících analogií: teplotní analýza matice tepelné kapacity C matice tepelné vodivosti K matice tepelného zatížení F neznámé U : teploty v uzlech gradient teploty měrný tepelný tok q deformačně-napěťová analýza matice hmotnosti M matice tuhosti K matice mechanického zatížení F neznámé U: posuvy u,v,w vuzlech přetvoření ε napětí σ Obdobná je i pásová struktura jednotlivých matic

eplotní úloha v MKP Analogie se týká i odpovídajících okrajových podmínek: Pokud při teplotní analýze pomocí MKP na části povrchu nepředepíšeme nic, je zde implicitně zadána podmínka q = 0, povrch je tedy dokonale tepelně izolován! Stejně je tomu i u deformačně-napěťových problémů, kde je na volném povrchu automaticky zadána podmínka nulového normálného a smykového napětí

Analogie v MKP Všechny procedury řešení teplotního problému lze při odpovídající záměně materiálových konstant a proměnných veličin použít i k řešení jiných, vzájemně analogických fyzikálních dějů. V komerčních systémech MKP se této analogie skutečně využívá a tytéž části programů jsou používány pro řešení odlišných problémů (průsak kapaliny porézním materiálem, elektromagnetismus, ).