analisis termico en estado transitorio
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Problemas de transJérencia de calor 299
8.3.3 Transferencia de calor en estado transitorio
Considere una placa de acero de 20 cm de espesor, la cual se encuentra inicialmente a una tempe-
ratura de 500 'C. La placa se expone repentinamente al aire ambiente cuya temperatura es Tr: 30'C. El coeficiente convectivo en ambos lados de la placa es h: 100 Wm2K. Calcular la temperatura
sobre la superficie (punto A) y a 2 cm de profundidad (punto B) en el intervalo de tiempo de 0 a 1
hora. Las propiedades del material son: densidad p : 7833 Kg/m3, conductividad térmica k : 54 W/
mK, y calor especiftco c: 459.59 J/KgK.
Esquema de laplaca
T0.2I
l<- o'5 m
300 Aplicaciones con ANSYSii:rliiiiiii*¡r:.:r:.ri:ri:r!.dr!{+;ri;'i'
Paso de carga de 0 a 3600s
Subpasos de 20 s
1.
La solución de este problema mediante ANSYS incluye los siguientes pasos:
Entrar al programa ANSYS y seleccionar el modo interactivo. Aparece la siguiente caja de diá-logo. Definir en ella el directorio de trabajo y el nombre del archivo de trabajo (initiat job-name).
Asignar un nombre al problema:Utility Menu: File> Change Tifle...
Definir el tipo de análisis:Main Menu: Preferences> Thermal
2.
aJ.
lEEvClltiPlnETHl Pref erence: f er GUI Fift ering
Ind,viaiil d6.iplirÉ(r) to jhúa ¡r, thB GLtl
.:= **-*& ¡; tft.il.;i-,--.--f Aitgtg Fhri,i
tlote. lF nu rndrtirlu¿l di:rrplnes +e sel*led they wrll :ll rhoH,
Preproceso
+. Definir el tipo de elemento, elemento pLANETT:
Main Menu: preprocessor > Element type >PLANETT
Deflnir las propiedades del material, densiclad, conductividad y calor específico:Main Menu: preprocessor > Material props > Materiars Moders > Thermal >lsotropic > Material number:1, p:7g33,KXX:54, C:459.5g
Problentus t/e Irrt¡t.,¡.1¿r¿t.t, ¡it t!¿ . triút 3Ol
Add/Edit/Delete > Add > Thermal-Solid-
Conductivity >
).
Only thermal element lus i¡e sho*oL¡br¿rl Éf Ele¡úenl type,
Lombrnnl¡ún tIlermslf'tqis
,
Wt@8'5hFll
Ihardl EJe.tri- :¡;upere¡eme¡l:nf¡nileBorhnárv i*
$@ma*l¡tshdr 4ncde 75 ,._
6¡Dde 7Ef¡cl..¡nüde 7A
:l4dteri:i¡,todel5Aydil¿hle,
:& Favorites
¿$ rhermol
ES túndurr¡iiryAffi'r.. ffis$ orthotropir
& SpE ¡f¡r Heat
S Density
$ rnthatpy
S Enrissiv¡ty
* ConvE[l¡on sr F¡lm aoel.,
& He¡l Genersliún Rate
.l
3O2 Aplicctciortes con ANSI'S
{,rnducli'¡ity {isúlropir) flr Mai.erial l,lurnber I
:'TI
ld@
6. Modelar rectángulo (ancho : 0.5, altura :0.2):
Main Menu: Preprocessor > Modeling > Create > Areas > Rectangle > By 2 Corners
AU5!5 lvl3rn l',lend 6Jirr : _:rrr" -}i
ffi Preferences -iE Preprocessor - I
H E¡enrent lype iEl Real Lonstónts
1
El Hotetial Props 1
E sef,L¡ons 1
E Horlelirrg 1
E fredtF 1
E fieyp*¡ftti IEI i.¡Fes iE fircas i
EJ &r trttrar Y iE $¡ecttsngi* t--"-FFffi i
¿F 8y f*rclr ü¿ t*r*¡ ¿
ffi Ály !)*a¡¡e¡¡sir¡¡¡g iE f:rr{¡e :El lto¡yüeft : :
,F Area F¡llet ' i
f----lt-*--*-__ll-----_-lF-- I
-'.:..:,-!.,':':.tt cle Irans-/ére,cia ¿le ca/or 303
.o1s11izar recrángulo (ESIZE:0. 02) :Main Menu: preprocessor > Meshing > Mesh Tool > Global > Set
rFtl-'---; se i:*-+-,-;-:::'
E[ñ9n1At¡6als
i- sma*sne
Si¡e C{htids
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a^ur,.,:, ,..1fi et;:l¡;¡es .ser J tb* i.
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rryd. eer i cea i*___:::l_.::*:r¿ee¡rt¡ iil,iJ....-, - -.".Hshapqr: f r,i, . s, q,.6.
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f EsI¿f J Stobel eq*J"*"-#ffi
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r\Frv r/o.of ern,ftrdivrshns- Fal ,4-- (used o¡fy .f eJeent E&e le¡sth, s¡ze, r¡ btent or ero)
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3O4 Aplicaciones con ANSYS
(' yacE i Lhrpíck
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C üu¡rt
Ifá* iffu¡I
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* i:,'"-:li., ., :l,tll1 i
.,: ::-...::::j .:: :*i-, I
Soluciótt
7. Activar análisis transitorio:
Main Menu: Solution > Analysis Type t New Analysis > Transient
At',l5'i5 Main l*'lenu
ffi Freferencesfi FreprocessorE 5slution
El &nalysÉs Type
-"Fffiffiffiffi *.*eL*rftffil 5*¡l'rl ilr¡¡'*Lr*ls@*Ii:;l HHpdFdgl{}ftu*$S
ffi &melgsis *pt&ern*
ffi n*ct 5trl"m ffipLn
El Defir¡e l-eadrE l-*ad Step üptrE tshy*ics
^. 1t^tl
;-' 5teady-Stite
*-**--& {i' Transl*r¡t
i- 5ubslÍucturing
8. Condiciones iniciales, temperatura unifbrme cje 500:Main Menu: Solution > Define Loads > Settings > Unif.orm T"_p > S00
305
Q FreprocessorEl Solution
E Analysis Typeffi Fash Bst's¡ SptnEl trefine Lsads
El Setting*--&*ffiffiff Fef,er err** yeatrp
E F¿lr Secrf,*c* {"dE ffiepfac*us&dd
E &pptyE *eleteEl üpe*,ate
E load Step {Ipts
9. Control de salida, escribirresultados cada2subpasos:Main Menu: Sorution>Load sfep opts- output ctrrs>DB/Resurts F'e...
.gsHrsuJfr1l"*_*_;*É)ffi Pt*fu.un.*,E FreprocessorE Sslution
E *nolysis Typeffi fast Fllf.n üptraE Define Lsad*E Lnad EteF üFts
E $utput ftrls@,,lij bdjls* flr¡rr{s-J4¡F@,-t;;i {ssFl? ?*á¡j lr*,r.&.---eHwffi d$ru++ Stci¿r¡$
El ¡uq;ft r,t*@"liiJ ¡¡'4t**f4?&iüár Íl¡
@--.üjJ b*{{r[d*n {:.ty,[l TinlelFnequ*ncE f{*srllr¡ear
[tUtiJIF] Unit:r:r.m,**ooiffi
FEEQ. Filervriiefr*qrenry r JAilitems
i udluÉ,üf tJ
{Lrre negdjfr lv:for equódJy sp,jréd dEtB}
Cn€De (rmponBr¡t nnfrre -
'f(1r¿lhjrh:aFo,rÉ seging is:to be applied
í." E?ery Nth subsitr
306 Aplicaciones con ANSYS
Dehnir pasos de carga, tiempo al final del
de paso: stepped:
Main Menu: Solution > Load SteP OPts
TIME STEP:2O, Stepped
3$llyr9l.l.i'1.!.,19..,,..-..-,,--,, j.,S-l
paso de carga'.3600 s, tamaño de subpaso : 20, tipt'
> Time/Frequency > Time-Time Step TIME:360tt.
líneas superior e inf-erior:
t Apply > Thermal > Convection > On lines. Selec
10.
El Prefe¡ences
El Pieproces50l
É solutionts ABólycis Type
H f;$t Siiltr cFtr¡
E Defilre Lodds
E LBad 5tep üpt5
E 0uitnrl ¡:trl5
E !¿ljtrtt$r¡ ür¡E Tiniri'frequeñt..-e'8ffi
El l!.rlc ú$i gtli:tF6
ffi fr¿.lti tli,t?tE f ¡rt¡e 1r¡t*r-lrvl.kH3
E RúoisnÉÁr
E FeF.insioePdstE üihc¡m ¡l¡e{et üptj4ftf
m Éer¡] 1.6 ¡ilfE 1gr¡l* ¡-5 F¡le
E !ftiti¡¡ Streri
t1 Condiciones de fiontera, convección en
Main Menu: Solution > Define Loads
cionar líneas superior e inferior.
The ald Thre Step ¡lllÉns
IIIHE] T¡Fest s¡dof laad n4
|!ELIlq] fr¡e step tL:€
lmCl slwFed ft reB*¡i b.r.
tr@ --14*-E----lq.-i qiope!
r: ¡iipp-é_{.j @-**"
[#fOTs] altsarali. une stepFLnq
IDELTFINúrr¡ur Ure rEl r¡:e
lqó¡Írlnr lhe5tep t'2e
url arÉvÉlrfio sEe?
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ITFEg] Itr ti¿prEset b¡red i¡ 5pe.fi! tñe Fd¡fr : :
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{leive bler'k f or úii.nrn Cof'Jr' )
lr¿Ll FiLñ coelf¡iiÉrü
VA1LZI gull!tenpÉratus
12. Guardar paso de carga:
Main Menu: Solution > Write LS File...
A.¡{5Y5 l'{¡in FJens (*iin:r:*-=*-*:-.=X;
Problentas cle trans.lérencia de color 3Oz
se colTe con:
; ffi Freferences: E] Prtpr0ce5rür, E Sofut¡on: E *n¡l?sit Type; H Füst gú¡"s¡ gFtn: EI Define Lo¡dsi E Loüd Step üFts: E $utFut {-trls
i ffi Sctulien ftylr E Tim*lFreqrenc: E Nc¡¡lil¡*arj E E*pnnsionpaes
: El othrer
i H ResetsptÉüñs
i ffi f{**d {-! Fitr--&EtffiEl Initial Str*ss
E PhysirsE 5E H+nagement {fH5}
13. Salvar base de datos:ANSYS Toolbar > SAVE_DB
14. Solución del sistema de ecuaciones. como hay un solo paso de carga,Main Menu: Solution > Solve > Current LS
Observar avance de la solución en Output Window.
15. Entrar al postprocesador y desplegar temperaturas:Main Menu: General postproc > prot resurts > l\odar solu > DoF / Sol. TEMp
Ii€$lBb6lsnrqupd : . :::,
üig Fdvorites
6f Nodal solution
gfi oc'F :olulion#ffi& Thermal 6rad¡Ent
& Thermd¡ Flul
:J::Llntiepteas¿ ¿hst. tet ., ::-
Un$*gqedlrhrpe lé'7 p.tu*Jrt,"F" *¡r,srdh rscfn {n,i" l"r.Jir.J
Addlt¡etrdl OErtljnf : ,
uñ. 1".1l.l,r......j ... c.**l j .. --*.-o__. j
; ffi Preferences
, E Preproresror; E Solution
, E Gener¡l Postproc
¡ ffi nata a Fi*e {tpts, ffil F.esults sünnrmóry
: E Read Results: E Flqt Results
: g fr¡nt*r¡r Flot
.----#ffiffi: ffi Flc.¡lltlr¡l F$l{¡
: ffi [{E*r f"r*¡i*: m Vectsr Flst, E Fl*t Seth lterat--"___.lll I r¡lnf i¡m
: E f¡st Re¡ults: E Query Results; ffi $pti*mr for üutp: ffi ResuXts uiewerj ffi wr*e F{iR FiÍe
II5!uÉITEJ t4llire t_r¿d sreo F¡lÉ, t¡sUn#*.i*)LStJLtl4 Load steF lle number n
3O8 Aplicaciones con ANSYS
16. Desplegar la distribución de temperaturas en el tiempo t: 1800 s:
Main Menu: General Postproc >Read results > By time/Freq > TIME:1800
Al{lT5 I'ló¡n l+1er{i
: ffi PreferenresE Preprof,ess0r
i E Solutian
E Genetal Postproc. ffi neta * File flptr: ffi Results Sunlmany
E Refid RerultsF3l F¡rgl 6el
m N*}{l 5ei
: ffi Frer¡tlus 5elr ffi iast 5et
ffi ey riek] ffi &y Lc¿eJ 5tr¡l
:*&mffi: ffi s't gei,lumh*r: ffi rt{.}r'r¿Afl ¿.té, E Flnt Results, E l-iEt Results
E Querf, Ee*ults, ffi flptinns fnr ü*tp
ffi R*sults sinwer
ffi turtr¡te $rfiR n¡le
:,:l-^.i
Re¡d F,esults by Time I'r FrÉquenly
[5ET] [slJEsqr] [AFPEt'ls]
Re¿d resull¡ ñor: , ::: ffiTI|.'1E \talue ':f tjme c'J lreq
LSTEP Re.sulls at ar near TII1E...FACT '5caie;factc,r': ,,:,: r l
Ar'JtrLE CircumtÉrentief iucation,
-,f or,harmorric elenreÍrls
Problenas de \ranslerencia tle c.alor 3Og
Utility Menu: Plot > Replot
17 . Graftcar la distribución de temperatura
Plotear los elementos:
Utility Menu: plot > Elements
Definir variables:
Main Menu: TimeHist
como función del tiempo de los puntos A y B"
Postpro > Define Variables > Add...
I ffi Freferenres, E FreproressorI E solut¡onr E General PnstprocI EI T¡meH¡st Postpror ffi Veriabl* Viel*eni El Settingsr ffil Stone Batar*Wffi
E Read LsFYNA Dñtaffi firt tr*rraF;k:x
ffil Li*t fxtremr*sffi ñraph t¡¿rlqhlesE Hath UperationfE Table üperüt¡ons
31O Aplicaciones con ANSYS
Seleccionar el nodo a2 cm de profundidad (punto B) como se indica:
r ilu,ii]i.g,i,fl :ElÉrrte¡l resulls
,:*,,:',',;,,br, u*n *.':::.".,
{"' Reaciiorr:lf,:rcer
f*'¡,,Cep Fórre data
l" Solutinrr summa¡¡'
::,,::::::::::::: ::: :: : i : :::: ':
.1.....
nillF __J
{- tlf,¡Fitr}
Soir*c, *,,, ,
fiE¡ríeil¡r: , =,, f.
Idrni¡ni¡a ; , l,l{úde I'Ir- . 3¡3
f-,:List. rqi :Icɡrs
,f Ui*" Han.,,,Ine
r€qf '* '} ¡+Fry
Ib*ffi3rsflgÉeÉt. i ,l+:cel I,@$:,;;r.,.,"***^J
:.iirl f:ij,,:::.:: l. 'l Help it¡
ltroblentns de Írctnsler¿ncitt tle cult¡ 31t
{signar una identificación a la variable (TempB):
[Nsüt] úeflne t!]odál [¡oF s8riabJe
¡NAR REInumbErof vs¡abb,
fiI]f,€ ¡IeúE runúar
¡,Jile UsersFB.if.ied ISÉl , :'
Ilen,aqmú Data itm ':
i* -l
rl
F""{"r"t* TEt P-*---l
.ürn¡ef j
Siguiendo el mismo procedimiento, definir una variable (TempA) en cualquier nodo de la superficie.Una vez hecho esto, las variables aparecerían en la siguiente forma. La variable I siempre es eltiempo, la variable 2 coresponde a TempB y la variable 3 a TempA.
Cun¿ntly Defin*d 5pecif icatiom :
\tárjablE TypÉ Elem NBde itÉr CürF f,JtrnÉ
1 TII.IE TIF]E
ry,!.., "!:tr , i
,Ed¡r,.
tanib]e :,::: , 'Tvpe Elen:i: , :, , :: tl¡d¿ , Item CúmÉ f,l¡me1 TI¡4E ÍIME2 l,i5OL ?¿3 TEI'IF TEI4P
312 Aplicaciones con ANSYS
Graficar las variables previamente definidas,
Main Menu: TimeHist Postpro > Graph2v 3:
Variables. Seleccionar las variables 2 v 3
¡er fiHYi,lltl$l: * " -:-:**-*[+ülffi Freferencer j: E Preprocessor :
. El solut¡on:
i EI General Ptstproc ,ij E TimEH¡gt FortFro :ij ffi Vari*h[e Uie{,ner , ,i
E Settings .
¡! 3(Fr* UéIE I!
E Del¡ne Yaridhles r
E Read LSDTHA Data :
L4 LEsr Vdildü¡es ,
hJ [-$$r HHrfesr'¡es :
:*-BP!l ilf}tÉltBtr,!úf:l¿liid:l :'-glffi:
l+l Hath üneratinnsE Tahte nFerat¡ons
i ffi $jn-¡mr¡tf¡ úeh* i
@*kJ [¡ene!',nlf Specf fmffi Reset Feistprnrc
IFIVAR] ;6¡aph Trhell'tlrt,rq'¡ Yarfat'le:
Nr/ÁF,1 lst variabie to gróph
NVARZ 2nd variable
N?AF.-l 3rd variable
ÍTJVAR* 4th variable
Nr/4F.5 sth var¡üble
::::I'JuAfiñ, 6!h ',.¡rióblÉ : :,,::
fJ?ARi 7th v¿riable
NUARts Bth variable
trlU¿RS gth vÉ{í¡ble
:
N\¡ARl0 lBth vari¡ble
l. =-l{il_],T-*--lr ;r--lr--lt**l
Prr¡blenus ile transf'erencia cle calor 313
Listar las variables previamente definidas,2 y 3:
Main Menu: TimeHist Postpro > List Variables.. .2 y 3
'Éhl5\'5 l4¡in Flenl¡:,:::: : :,, , @1
¡ffi Preferencer .*i El Freprocercor
,
, E Solut¡on ,
El General Postproc l:
E TimeHist Portpro ,
@.-: ffi Y&rldfite V¡et$e$':
, E Settings!-:: ü$ Sf$r'e Sffte :
!m $efFsle Ysilñm$eg !
E Read LSDYHfi nata,ueWffi-]FElsM
i!@.^"*": lfl t-t${ hfiffen"¡es i
E;¡ trreps! Yarüafr¡ies
i n Fqath [lperat¡onr i
! E Table üperát¡sns, ffi tinronth Sata
i
IPH\IARJ Lisl Tirne-l-{*lDry tariable,s
i,lUARl lst vari*le io list
f'lt/ARZ Zndv€riable, , ,,
f,l!,4É3 }rd variehte ,,,
tiuf;Rl :4!h uerahle i ,
Fl\l*Rs Slh rarlaHe
NUAR6 6th variÉble
F--lF----_lr --__l[--*-lt-,l__l
s+HÉn fil{l\.! Plltlt6 lJffRIHÉLE LISTIHü r+r.t'+
TIIIE T23 TEI1P
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499 .6üt{98 . t17t4C5.39,1,191.807¡ña ñ¡1ñtot.üüu4t3.590,l?9.155q7,l .6524?tl. 131
c65.61Í,161.13[,156.675J{r'l ')rÍ'lt / , üÉ¡,1q1.551
43S.262s35.01úq30.814q2É . ñ5É,l¡¿.54ü
¡rrctq+ flli$\É PrlÍT26 IJftRI|]BLE LISTIIiG rc+¡*t
Nótese que la temperatura en el punto B en el
analíticas se puede demostrar (ver Manrique)
tiempo t: 3600 s es de 208.688 "C.que el resultado es de 208.60 "C.
Mediante técnicas