Modelování stolku Mahle 94400 se středovým topením

Výpočty metodou „Discrete Ordinates“

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).

Výsledky

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.