Rozwiązywanie zagadnień przepływowo-cieplno-wytrzymałościowych w celu optymalizacji nagrzewania i ochładzania elementów grubościennych
Wariant tytułu
Optimization of heating and cooling processes in thick-walled components by solving flow-thermal-strength problems
Autor
Mazurkiewicz, Grzegorz
Promotor
dr hab. inż. Piotr Duda prof. PK
Data wydania
2011
Data obrony
14.02.2012
Wydawca
[s.n.]
Język
polski
Słowa kluczowe
energetyka, CFD, MES, optymalizacja
power engineering, CFD, FEM, optimization
Abstrakt
W pracy doktorskiej zaprezentowano nową metodę optymalizacji procesów nagrzewania i ochładzania elementów grubościennych ze względu na naprężenia cieplne. W zaproponowanej metodzie wykorzystano sprzężoną analizę przepływowo-cieplno-wytrzymałościową połączoną z procedurą optymalizacyjną Levenberga-Marquardt, która pozwala na wyznaczenie przebiegów temperatury czynnika na wlocie do analizowanych elementów, tak aby maksymalne zredukowane naprężenia cieplne w nich powstające podczas procesów nieustalonej wymiany ciepła były zbliżone lecz niższe od naprężeń dopuszczalnych.
Zaproponowana metoda zakłada dwuetapowe rozwiązanie zagadnienia przepływowo-cieplno-wytrzymałościowego. W pierwszym etapie przy pomocy bilansowej metody elementów skończonych przy użyciu oprogramowania ANSYS CFX wyznaczany jest czasoprzestrzenny rozkład pola temperatury w wybranym elemencie grubościennym. Następnie metodą elementów skończonych z wykorzystaniem kodu numerycznego programu Ansys wyznaczany jest czasoprzestrzenny rozkład zredukowanych naprężeń cieplnych i przebieg maksymalnych zredukowanych naprężeń cieplnych.
Wprowadzenie obliczeń przepływowo-cieplnych w miejsce obliczeń z wykorzystaniem konwekcyjnego warunku brzegowego pozwala uniknąć konieczności zakładania wartości współczynnika wnikania ciepła, co stanowi jedną z głównych zalet metody szczególnie w odniesieniu do elementów o złożonej geometrii.
The PhD dissertation presents a new method for optimizing heating and cooling processes of thick-walled elements due to thermal stress. The proposed method uses coupled flow-thermal-strength analysis combined with the Levenberg-Marquardt algorithm, which allows to determine the curves of working medium temperature at the inlets to the analyzed elements, so that the maximum von Mises thermal stress generated during the transient heat transfer process were similar but lower than the allowable stress.
The proposed method assumes two stage solution of the flow-thermal-strength problem. In the first step spatiotemporal distribution of temperature in the selected thick-walled element is determined by computational fluid dynamics with the use of Ansys CFX software. Then the spatiotemporal distribution of von Mises thermal stress is calculated by finite element method using the Ansys software. The introduction of CFD to the algorithm instead of calculation based on convective boundary condition avoids the need of assuming the value of heat transfer coefficient. This is one of the main advantages of the proposed method, especially during analysis of elements with complicated geometry.
Klasyfikacja PKT
371920 Maszyny i urządzenia energetyczne
371900 Przemysł maszynowy
370000 Budowa maszyn. Przemysł maszynowy i metalowy
