Připravit model výhřevu rotujících vřeten na rotačním stolku Mahle 94400 se středovým topením, analyzovat teploty v převodech stolku a srovnat s měřením.
Zadání: Připravit model výhřevu rotujících vřeten na rotačním stolku Mahle 94400 se středovým topením, analyzovat teploty v převodech stolku a srovnat s měřením.
Společnost: HVM PLASMA, spol. s r.o., Na Hutmance 2, Praha 5
Autor reference: Pavel Mareš, email: [email protected]
Připravili jsme tři úlohy pro dva typy geometrie. Úlohu 1) tvořil stolek nahrazený plackou o šířce 5 mm umístěný v reálném modelu komory s rotujícími vřeteny a s rotujícím kvádrovým topením.
Rotující topení simuluje první rotaci stolku vůči statickému topení. Pro úlohu 2) byla připravena geometrie nerotujícího stolku s komplikovanou vnitřní strukturou. Zde byla počáteční podmínkou teplota žhavé desky topení nad povrchem stolku a zkoumal se prostup tepla (převážně radiací) do vnitřku stolku.
Ve finále jsme obě úlohy spojili v jednu v úloze 3) a s využitím symetrie nahradily rotující topení nerotujícím válcem a mohli tak počítat pouze se čtvrtinovou geometrií.
Pro řešení všech tří úloh byl použit software Ansys Fluent a metoda „Discrete Ordinates“, v případě úlohy 2) jsme ještě pro srovnání udělali výpočet v Ansys Mechanical.
V případě Ansys Fluent výpočtů byla vždy v Ansys Fluent Meshingu připravena polyedrická síť, pro výpočet v Ansys Mechanical tetraedrická síť. Okrajové podmínky byly zvoleny takto: Teplota topení 500 °C (odchylka od experimentu, kde teplota topení je na počátku 22 °C), teplota stěn reaktoru 22 °C.
Dále stojí za zmínku následující nastavení: Emisivita všech povrchů 0,7. V komoře je argon definovaný jako ideální plyn dle kinetické teorie plynů s tepelnou vodivostí 103× nižší (dáno nízkým tlakem).
Úloha 1) řešící srovnání experimentálního měření s modelem vykazuje relativně dobrou shodu, jak ukazuje obrázek 1.
V experimentu je třeba navíc počítat s časem na výhřev samotného topení na požadovanou teplotu 500 °C, což trvá zhruba 15 minut, během kterých se měřené vřeteno vyhřálo na téměř 100 °C.
Další výhřev je ale ve velice dobré shodě pro všech 5 výpočetních sond na vřetenu. Kmitání v modelové úloze je způsobeno zavedením „Solid time stepu“, které v principu zrychluje výpočet, ale působí zpomalení rotace.
Výsledky z úlohy 2), kdy se řešil průnik tepla do stolku od vyhřáté desky topení a porovnání výsledků z Ansys Mechanical a Ansys Fluent, jsou vykresleny na obrázku 2. Můžeme vidět, že horní stínění, které je přímo naproti topení, se po hodině ustaluje na 430 °C s pouze pozvolným nárůstem teploty a oba řešiče jsou ve výborné shodě. Horní stínění spolu s hlavním stíněním (neuvedeno v grafu) chrání rotor, který je pod ním.
Teplota se zde ustaluje až po šesti hodinách na 240 °C a oba řešiče jsou stále v dobrém souladu. Stator, umístěný ještě pod rotorem, se opět ustaluje až po šesti hodinách na 180 °C a soulad mezi řešiči už činí ~20 °C. Podobně je na tom i hřídel. Celkově se dá říct, že soulad mezi oběma řešiči je velmi dobrý.
V případě přestupů tepla a radiaci ve složité struktuře stolku se hodnoty začínají více a více lišit. Výhřev stolku trvá osm hodin (nevyplývá z obr. 2), aby došlo k úplné stabilizaci teplot na jednotlivých částech stolku.
Srovnání experimentálního měření s modelem, kde byla snímána teplota na rotujícím vřetenu v pěti bodech.
Srovnání výpočtu výhřevu stolku z Ansys Mechanical a Ansys Fluent.
Teplota (v K) na rotujících vřetenech a na různých částech stolku v čase 15 minut a 60 minut při výhřevu od středového topení.
Srovnání výsledků z úlohy 2) a 3).
