随时间和空间变化的复杂边界条

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1、第 6 章,随时间和空间变化的复杂边界条件,March 30, 2002 Inventory #001445 6-2,表格化热边界条件(载荷),以前，施加在几何模型和/或有限元模型上的载荷都是常数或随温度变化的数值。当要施加复杂的随时间和空间变化的载荷时，表格化的热边界条件就更加方便。 定义 - 表格化边界条件就是通过表格施加的边界条件，其数值经过计算并在求解过程中施加。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-3,表格化边界条件- 基本变量,基本变量 时间 全局笛卡尔坐标系中坐标 温度 速度, 用于Fluid116单元，1-D 热流 单元,相应 ANSYS 标记

2、 TIME X, Y, Z TEMP VELOCITY,表格由下列基本变量组成:,March 30, 2002 Inventory #001445 6-4,其它表格定义,独立变量 直接或间接描述与基本变量的表格关系的变量，如， hf = f(time)换热系数(独立变量)是基本变量时间的函数 hf = f(x,rpm) rpm = g(time) hf 和 rpm 是独立变量,March 30, 2002 Inventory #001445 6-5,其它表格定义,多元表格 表格有多于一个的变量，如 hf = f(x,y,time) 循环表格 表格要引用其它带有独立变量的表格，如 hf = f(

3、x,y,rpm) rpm = g(time),March 30, 2002 Inventory #001445 6-6,表格输入的应用,表格化边界条件可以使用于所有实体模型 和/或 有限元模型 热边界条件: 使用D, DK,DL, DA命令施加温度 使用F, FK命令施加热流 使用SF, SFE, SFL, SFA命令施加对流(膜系数和环境温度) 使用SF, SFE, SFL, SFA命令施加的热流密度 使用BF,BFE,BFL,BFA, BFV命令施加的内部热生成,使用 HELP 命令查看上述命令相应的菜单项。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-7,表格化

4、边界条件的重要说明,如果表格化边界条件不是时间的函数，他们可以很好的随时间阶跃施加，而不受KBC命令的约束 (见第 4 章 )。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-8,基本变量 - 边界条件应用,热边界条件 施加温度 热流 换热系数 介质温度 热流密度 内部热生成 均匀热生成,基本变量 TIME,X,Y,Z TIME,X,Y,Z,TEMP TIME,X,Y,Z,TEMP,VELOCITY TIME,X,Y,Z TIME,X,Y,Z,TEMP TIME,X,Y,Z,TEMP TIME,March 30, 2002 Inventory #001445 6-9,单

5、元-特殊表格支持,Fluid116 1-D 热流单元 载荷 热流率是基本变量TIME的函数 压力是基本变量 TIME,X,Y,Z的函数 SURF151, 152 表面效应单元 实常数 旋转速度和滑动因子(主要用于汽轮机应用如转子)是基本变量 TIME,X,Y,Z的函数,March 30, 2002 Inventory #001445 6-10,定义ANSYS表格,表格可以使用下面的方法定义: ANSYS 命令 (*DIM) 在 GUI, 使用 Utility MenuParametersArray ParametersDefine/Edit 在 GUI, 在施加边界条件时，软件允许使用现有的表

6、格或定义新的表格。,用外部编辑器如EXCEL生成的文件。数据必须是tab-delimited 格式才能用ANSYS的 *TREAD命令读入。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-11,ANSYS APDL 数组复习,ANSYS 有两种数组参数: 数组 类型定义离散的函数 表格 类型使用线性插值方法定义连续的函数。 数组可以是一、二、三维的。 两维数组有 m 行 n 列;行用行号 I标志, 从1到m列用列号J标志，从1到n。 组成数组的数称为数组元素。每个数组元素用下标 (I,J) 标志，I是行号，J是列号。,March 30, 2002 Inventory #

7、001445 6-12,ANSYS APDL 数组复习,对于 ARRAY 类型，所有数都按照下标存储和引用。所有下标为整数。一个典型的 5x3 数组如下。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-13,ANSYS APDL 数组复习,例如，在ANSYS命令中使用数组元素NSTR(2,4)会将数字19.1 代入，如果数组定义如下:,March 30, 2002 Inventory #001445 6-14,ANSYS APDL 表格复习,TABLE 同样由一系列排列为表格方式的数组成，但TABLE 允许使用数组元素的中间值，这是通过插值方法实现的。 另外, J=0

8、列, 通常包括行号的索引数字(I=1 到m), 必须定义为单调增加的数字 (不一定是整数)。 同样, I=0 行, 通常包括列号的索引数字(J=1 到n), 必须定义为单向增加的数字系列 (不一定是整数)。 缺省情况下，所有索引数字从接近0的数字开始。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-15,1-D 表格例子,例如, 1-D 表格 A 可以解释如下: A(1.5) 表示 20.0(12.0和28.0的中间数值) A(2.5) 表示 87.2(28.0 和146.4的中间数值),March 30, 2002 Inventory #001445 6-16,2-D

9、 表格例子,2-D 表格 PQ 可以解释如下: PQ(1,1.5) 表示 3.5(2.8 和4.2的中间数值) PQ(3.5,1.3) 表示 14.88(42.0 和-4.5平均, 9.7 和2.0平均,然后 乘上差值的 30% 加到 42.0和-4.5的平均值上)。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-17,载荷数组的通常习惯,尽管参数名可以达到8个字符长，表格参数由于应用于命令的域中，只能限制在7个字符以下。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-18,例: 使用表格定义 A “载荷”,在载荷中使用表格允许用户在表格元素之间

10、自动进行线性，双线性和三次插值。考虑下面的载荷 (FORCE 可以是节点热流):,March 30, 2002 Inventory #001445 6-19,使用命令定义APDL 表格,表格 (FORCE) 元素为载荷数值，行标号为时间数值，使用下面的ANSYS命令定义 : *DIM,FORCE,TABLE,5,1,1,TIME FORCE(1,1)=0,560,560,238.5,0 FORCE(1,0)=1.E-6,0.8,7.2,8.5,9.3 FORCE(0,1)=1.0 (不必须) 见右图所示。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-20,使用GUI表

11、格编辑器定义 APDL表格,使用 GUI, in the Utility MenuParametersArray ParametersDefine/EditAdd,1,2,March 30, 2002 Inventory #001445 6-21,使用外部制表软件定义 APDL表格 (如, EXCEL),在EXCEL中定义表格元素，包括 “0”号行, “0”号列 。用户可以使用空行将数据平面分割开，数据会可读性更强。一个3-D表格的例子见下，注意y平面变量有两个元素 : 在EXCEL中用tab-delimited文本格式写出，使用菜单 FileSave Aschange Save As Typ

12、e to text (tab delimited),March 30, 2002 Inventory #001445 6-22,使用外部制表软件定义 APDL表格(续),用户可以给EXCEL数据加上题目，而且空白行可以使得数据更加容易识别。 在ANSYS中, 定义数组使用 Utility MenuParametersArray ParametersDefine/EditAdd,March 30, 2002 Inventory #001445 6-23,使用外部制表软件定义 APDL表格(续),要读入 EXCEL数据，使用 Utility MenuParametersArray Paramete

13、rsRead from FileTable array 并将对话框中所需数据给出。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-24,在 GUI中检查表格,数据可以通过 Utility Menu ParametersDefine/Edit 来检查,平面数据,March 30, 2002 Inventory #001445 6-25,表格可以用 Utility Menu Plot Arrays绘制。使用前面的1-D例子，将对话框中填充，生成的图见后面。,绘制 APDL表格,March 30, 2002 Inventory #001445 6-26,绘制 APDL 表格

14、(续),填充完对话框并单击 OK, 下面的图形出现,March 30, 2002 Inventory #001445 6-27,使用命令操作表格,表格可以使用标准的ANSYS加载命令施加。使用表格输入的方式是在命令的数值域将表格名填进去。不用使用其他表格参数。 下面有几个例子: SF,all,HFLUX,%fluxtab% D,all, TEMP,%temptab% SFL,all,CONV,%hftab%,1000,March 30, 2002 Inventory #001445 6-28,通过 GUI施加操作表格,在 GUI, 当用户选择加载并单击APPLY, 对话框可以让用户指出施加的方

15、式: 常数或 现存的表格或 新表格,March 30, 2002 Inventory #001445 6-29,检查通过表格输入的边界条件,当表格边界条件施加到实体模型或有限元模型上后，在前处理器中列出边界条件时表格名将出现。 如果使用SBCTRAN (SolutionLoadsOperateTransfer to FE)命令将载荷传递到有限元模型上时, 在求解器中可以列出或绘制出节点和单元的表格边界条件数值。如果表格边界条件是时间的函数，显示的是TIME = 0的数值.。如果载荷步文件 (jobname.SXX) 是在传递以后写的，节点和单元的载荷步文件边界条件 (实体模型载荷不存储在LS文

16、件中) 还是由表格引用，而不是数值。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-30,检查通过表格输入的边界条件(续),求解结束后，列出或绘制单元和节点的边界条件 (在求解器中)会显示出时间为最后载荷子步的数值。 在POST1 (通用后处理器)中, 边界条件可以在节点和单元上列出或绘制，时间是存储在数据库中的数值。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-31,其他选项 - 表格输入,在许多情况下，载荷类型可以得到但载荷的表格数值在建模时并不知道。在这种情况下，用户可能只想确定不同的载荷区域。要做到这一点: 使用新表格施加边界条件，表格

17、大小和数值都取缺省数值 (空白)。 如果后来知道了边界条件，只要重新定义表格大小和数值即可。不用重新施加载荷。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-32,例子：换热系数是长度的函数 HF = f(x),假设面上的对流换热系数是非线性函数，并只与面的全局X坐标有关。假设有6个插值点，可以在GUI中定义如下表格:,March 30, 2002 Inventory #001445 6-33,例子：换热系数是长度的函数 HF = f(x)(续),假设全局笛卡儿坐标从1到6变化，换热系数表格可以定义为:,March 30, 2002 Inventory #001445

18、6-34,例子：换热系数是长度的函数 HF = f(x)(续),使用 GUI在线上施加对流，出现下面的对话框。 选择“existing table” 为换热系数， “constant value” 为介质温度 (因为没有用表格定义)。 输入 TBULK 数值并单击 OK。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-35,例子：换热系数是长度的函数 HF = f(x)(续),下面的对话框允许用户选择合适的表格 (在本题中, 只有一个表格, HF, 可以选择)。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-36,例子：换热系数是长度的函数 HF

19、 = f(x)(续),要显示对流边界条件，我们打开右图选项Utility Menu under PlotCtlsSymbols,March 30, 2002 Inventory #001445 6-37,例子：换热系数是长度的函数 HF = f(x)(续),要在绘图时显示表格名，在Utility Menu, under PlotCtls Numbering, 打开 Table Names,March 30, 2002 Inventory #001445 6-38,例子：换热系数是长度的函数 HF = f(x)(续),画线显示表格化换热系数, HF, 使用表格名。,March 30, 2002

20、Inventory #001445 6-39,例子：换热系数是长度的函数 HF = f(x)(续),在通用后处理器 (POST1)中, 数值可以通过将表格名关闭并将数值打开显示 (Utility MenuPlotCtlsNumbering),Turn off,Turn on,March 30, 2002 Inventory #001445 6-40,例子：换热系数是长度的函数 HF = f(x)(续),数值不能在 几何 模型显示; 只能在有限元模型显示:,请注意节点,March 30, 2002 Inventory #001445 6-41,时间步长和输出控制,表格边界条件允许用户在一个载荷步

21、中定义和求解 复杂，瞬态热传递问题。多载荷步同样可以使用表格化边界条件。 但是，当自动时间步 (ATS)打开，求解器可能会跳过时间的关键部分 (如, 载荷突然变化)。要避免这一点，用户可以定义关键时间 (时间步中的某一时间将设置为初始的NSUB/DELTIM 数值)。这些设置可以通过ANSYS命令 TSRES 来设置。 可以使用 OUTRES 命令控制写入结果文件 (jobname.rth)的频率。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-42,关键时间和输出时间,RPM,Time,输出时间,关键时间,March 30, 2002 Inventory #00144

22、5 6-43,时间步重置 (TSRES 命令),在特定时间点重新设置时间步大小为初始数值 (使用NSUB/DELTIM命令设置) 可以参照数组 (不是表格) ，使用 TSRES 命令: TSRES, 数组名 其中的数组必须是ANSYS一维数组Nx1, N 为关键时间的数目，数组元素就是相应的要重新设置的时间步的时间数值。 数组指定的时间点之间的时间增量必须比NSUB 或 DELTIM指定的时间初始数值大。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-44,时间步重置 - 使用 GUI,1,2,March 30, 2002 Inventory #001445 6-45,

23、结果文件输出控制 (OUTRES),OUTRES命令允许用户控制计算结果输出到热结果文件(jobname.rth)中的频率 。命令格式为, OUTRES, item, FREQ, Cname 要使用数组参数(不是表格)控制输出频率，在命令的FREQ中使用%数组名% ，数组名是一维Nx1 数组的名字，数组包括N个时间数值，结果将在这些时间点写入结果文件。不需要指定别的参数。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-46,使用 GUI控制结果文件,1,2,March 30, 2002 Inventory #001445 6-47,使用 GUI控制结果文件(续),指定使

24、用新数组还是现有的数组。然后出现后面的对话框。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-48,用 TSRES 和 OUTRES使用数组的例子,用以重置时间步 (TSRES)和在特定时间输出结果 (OUTRES)的数组如下 :,注: 使用TSRES和OUTRES的数组不要求一致。因为通常输出点需要比重置时间步的时间点更多一些。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-49,函数工具,有以下三种方式施加与时间相关的载荷: 多载荷步 列表输入 利用函数工具 函数工具法也可用于在复杂空间上施加动态变载荷.,March 30, 2002 Inv

25、entory #001445 6-50,函数工具,函数工具. 用户可以可以创建函数库，这样可容易的施加各种复杂的边界条件. 用于计算的函数建立方程式； 支持所有的初始变量（ x, y, z, temp, pres, time etc.) 每一函数必须保存为文件； 可从存档文件中调用函数，并运用到列表格式加载中。,March 30, 2002 Inventory #001445 6-51,函数工具,在ANSYS中运用函数工具进行加载分两步进行 1.使用Function Editor 生成函数方程； 2.使用Function Loader将函数加载到TABLE列表中；,March 30, 2002

26、 Inventory #001445 6-52,函数工具函数编辑,函数编辑的方式 Solution Loads-Apply Functions-Define/Edit 按下图所示从菜单界面进行编辑. 定义使用 TIME 作为主变量的方程. 保存.,March 30, 2002 Inventory #001445 6-53,函数工具函数编辑,将函数编辑器作为计算器生成时间或空间变化的方程 对于随时间变化的载荷,将TIME 作为主变量定义方程. 保存.,March 30, 2002 Inventory #001445 6-54,函数工具函数加载,在使用函数加载前,该函数必须被作为表列保存. To

27、use the equation, choose Solution Loads-Apply Functions-Read File 或在 utility menu中选择. 加载函数文件(“.func” file) 在弹出的对话框中填写 指定表参数的名称. 指定相应各值.,March 30, 2002 Inventory #001445 6-55,函数工具函数加载,此函数作为一个列表边界条件施加 (e.g. F,ALL,FZ,%PPULSE%) 建议: 如边界条件可以直接在列表中输入,就不使用函数工具,March 30, 2002 Inventory #001445 6-56,函数工具,总结:

28、可定义任意函数来描述热流系数. 例如:,March 30, 2002 Inventory #001445 6-57,函数工具例子,平板上的对流,March 30, 2002 Inventory #001445 6-58,函数工具例子,主变量值 X来自主变量“X”,主变量: xloc,March 30, 2002 Inventory #001445 6-59,函数工具例子,首先构件雷诺数并保存在M1存储器中,常量 “Velo” 被定义为自由流体速度,输入该变量第1值,March 30, 2002 Inventory #001445 6-60,函数工具例子,下步构建普郎特常数并存入到存储器M2中.

29、,March 30, 2002 Inventory #001445 6-61,函数工具例子,定义变量值的范围,生成流体系数,按“ins mem”键,从存储器中读入雷诺数和普郎特常数.,March 30, 2002 Inventory #001445 6-62,函数工具例子,定义变量范围,生成流体系数,按“ins mem”键,从存储器中读入雷诺数和普郎特常数.,函数存储为 “FlatePlate4.func”,March 30, 2002 Inventory #001445 6-63,函数工具例子,从目录中选择函数, 给该函数命名 指定函数中的常数,函数加载,March 30, 2002 Inventory #001445 6-64,函数工具例子,将该函数作为列表边界条件“PLATE”施加在平板上.,March 30, 2002 Inventory #001445 6-65,函数工具例子,March 30, 2002 Inventory #001445 6-66,函数工具例子,对流换热系数分布,