Heat Transfer & Fluid Flow Simulation with ANSYS

Keerati Sulaksna Phattharaphan Thamatkeng

School of Mechanical Engineering Suranaree University of Technology

PART I Heat Transfer Simulation

บทนําสูการถายเทความรอน

Heat Transfer ModesConduction/ Convection/ Radiation

Conduction is the transfer of heat energy by microscopic diffusion and collisions of particles or quasi-particles within a body due to a temperature gradient.

Convective often referred to simply as convection, is the transfer of heat from one place to another by the movement of fluids.

Radiation is energy emitted by matter as electromagnetic waves, due to the pool of thermal energy in all matter with a temperature above absolute zero.

Heat Transfer ModesConduction Heat Transfer

Fourier’s Law of Heat Conduction

Q = -kAc(dT/dx)

where Ac– Cross section area (m2)k – Thermal conductivity (W/moC)dT/dx – Temperature gradient

T1=200oC T2=100oC

Q

T=T2 – T1

2

9

Heat Transfer Modes Convection Heat Transfer

Newton’s Cooling Law of Heat Convection Convection: Q = hAs(Ts-T)where As– Surface area (m2)

h – convection heat transfer coefficient(W/m2 oC)

Ts – Surface temperature (oC)T – Surrounding temperature (oC)

Heat Transfer ModesRadiation Heat Transfer

Radiation Heat Transfer Convection: Q = AsT4

where As– Surface area (m2) – Emissivity – Stedfan-Boltzmann constant

= 5.67x10-8 (W/m2K4)T – Surface temperature (K)

The emissivity coefficient - ε - indicates the radiation of heat from a 'grey body' according the Stefan-

Boltzmann Law, compared with the radiation of heat from a ideal 'black body' with the emissivity coefficient ε = 1.

3

11

ApplicationsHeat Sink

Heat sink is a passive heat exchanger that cools a device by dissipating heat into the surrounding medium.

In computers, heat sinks are used to cool central processing units or graphics processors.

Heat sink is actually designed to maximize its surface area in contact with the cooling medium surrounding it, such as the air. Air velocity, choice of material, protrusion design and surface treatment are factors that affect the performance of a heat sink.

12

ApplicationsFin

Fin is a surface that extends from an object to increase the rate of heat transfer to or from the environment by increasing convection. The amount of conduction, convection, or radiation of an object determines the amount of heat it transfers.

4

13

ApplicationsHeat Exchanger

Heat exchanger is a piece of equipment built for efficient heat transfer from one medium to another. The media may be separated by a solid wall to prevent mixing or they may be in direct contact.[1] They are widely used in space heating, refrigeration, air conditioning, power plants, chemical plants,petrochemical plants, petroleum refineries, natural gas processing, and sewage treatment.

Shell-and- Tube Heat Exchanger (top) and Tubular heat exchanger for solar collector application

14

ApplicationsThermal Insulators

Thermal insulation is the reduction of heat transfer (the transfer of thermal energy between objects of differing temperature) between objects in thermal contact or in range of radiative influence. Thermal insulation can be achieved with specially engineered methods or processes, as well as with suitable object shapes and materials.

Common insulation applications inapartment building (top) Thermal insulation applied to exhaust component by means of plasma spraying (right)

5

1. การสรางรูปทรงโดยใช DM (Design Modeller)

1.1 เปดโปรแกรม Ansys Workbench และดําเนินการตามลําดับดังน้ี

- คลิกเลือก Steady-State Thermal (หมายเลข 1) เพื่อเขาสูโหมดการคํานวณการ

ถายเทความรอนแบบสภาวะคงตัว

- ดับเบิลคลิก Geometry (หมายเลข 2) เพื่อเขาสูโหมดการสรางรูปทรง

- คลิกเลือก Millimeter (หมายเลข 3) เพื่อกําหนดหนวยการวัดขนาดที่จะใชในโปรแกรม

1

2

3

6

1.2 การสรางรูปทรงของปญหา

ลักษณะของปญหาที่วิเคราะหเปนแทงโลหะทรงกระบอกขนาดเสนผานศูนยกลาง 10 mm

ยาว 50 mm ทําจากวัสดุ Structural steel ดังรูป

1.2.1 ข้ันตอนการวาดโครง 2 มิติ มีข้ันตอนการสรางดังน้ี

- คลิกเลือก Sketching (หมายเลข 1) เพื่อเขาสูโหมดการวาดรูป

- คลิกเลือก Circle (หมายเลข 2) เพื่อเขาสูโหมดการวาดรปูวงกลม

- วงเมาสที่จุดตัดแกนแลวลากออกดานนอกจะไดวงกลมดังแสดงในหมายเลข 3

1

2

50 mm

10 mm

3

7

- คลิกเลือก Dimension (หมายเลข 4) จากน้ันนําเมาสมาคลกิบนเสนวงกลมที่ไดตาม

หมายเลข 3 แลวลากเมาสออกไปดานนอกวงกลมเล็กนอย จะไดสัญลักษณการ

กําหนดขนาดเสนผานศูนยกลางดังหมายเลข 5

- ปอนคาเลข 10 (หมายเลข 6) เพื่อกําหนดขนาดของเสนผาศูนยกลาง

1.2.2 ข้ันตอนการข้ึนรูปทรง 3 มิติ มีข้ันตอนการสรางดังน้ี

- คลิกเลือก Modelling (หมายเลข 7) เพื่อเขาสูโหมดการข้ึนรูปทรง 3 มิติ

- คลิกเลือก Extrude (หมายเลข 8) เพื่อข้ึนรปูทรงจากภาพวาดวงกลมเปนรูป

ทรงกระบอก 3 มิติ

- ปอนคา 50 (หมายเลข 9) เพื่อกําหนดความยาวของทรงกระบอก 3 มิติที่จะข้ึนรปู

- คลิก Generate (หมายเลข 10) เพื่อสรางรูปทรง 3 มิติ

4

5

6

8

7

8

9

10

9

2. การคํานวณโดยใชโปรแกรม Ansys Workbench

บนหนาจอ Ansys Workbench ใหดําเนินการตามลําดับดังน้ี

2.1 การกําหนดสมบัติของรูปทรง

- ดับเบลิคลกิ Model (หมายเลข 1) เพื่อโหลดรูปทรงทีส่รางจาก DM มาไวบนหนาจอ

หลักของ Ansys จะไดรปูดังแสดงในหมายเลข 2

- คลิกเครือ่งหมาย + หนา Geometry (หมายเลข 3) และคลกิที่ Solid

- คลิกเครือ่งหมาย + หนา Material (หมายเลข 4) และเลือกชนิดของวัสดุเปน

Structural steel

- คลิกเครือ่งหมาย + หนา Properties (หมายเลข 5) เพื่อตรวจสอบขอมูลตางๆ ของ

รูปทรงที่สรางข้ึน

1

2

10

2.2 การสรางเมช

- คลิกที่ Mesh (หมายเลข 1) จะไดหนาตาง Detail of “Mesh”

- คลิกที่ Relevance Center (หมายเลข 2) เลือก Fine เพื่อกําหนดใหสรางเมชแบบ

ละเอียดสุด

- คลิกเมาสปุมขวาที่ Mesh และเลอืก Generate Mesh (หมายเลข 3) เพื่อสรางเมช

จะไดเมชทีม่ีลักษณะดังแสดงในหมายเลข 4

- คลิกที่ Statistics (หมายเลข 5) เพื่อตรวจสอบขอมลูของเมชที่สรางได

3

4

5

11

1

2

3

4

5

12

2.3 การกําหนดชนิดของเงื่อนไขขอบสําหรับการถายเทความรอน

เงื่อนไขขอบสําหรับการถายเทความรอนมหีลายแบบ ที่นําเสนอในที่น้ีมี 4 แบบ ไดแก

- Temperature เปนการกําหนดคาอุณหภูมิใหกบัดานของวัตถุที่วิเคราะห

- Convection เปนการกําหนดคาสภาพการพาความรอนใหกบัดานของวัตถุที่

วิเคราะห

- Heat Flow (W), Heat Flux (W/m2), Heat Generation (W/m3) เปนการกําหนด

ขนาดของความรอนใหกบักอนวัตถุที่วิเคราะห

- Perfected Insulation เปนการกําหนดคาสภาพความเปนฉนวนแบบสมบูรณใหกับ

ดานของวัตถุ (อันที่จรงิเปนโหมดหน่ึงของเงื่อนไขแบบ Heat Flow กลาวคือ

Perfected Insulation หมายถึงคาการกําหนดคา Heat Flow=0 W คือไมยอมใหมี

ความรอนไหลผานเขาออกหนาสัมผัสดังกลาว)

การกําหนดเงือ่นไขแตละรปูแบบทําไดในลักษณะเดียวกัน ดังน้ี

- คลิกเลือก Steady-State Thermal (หมายเลข 1)

- คลิกเลือก Temperature (หมายเลข 2) เพื่อกําหนดเงื่อนไขแบบคาอุณหภูม ิ

- คลิกเลือกผิววัตถุดานที่ตองการไสเงื่อนไข (หมายเลข 3)

- คลิกที่ Geometry เลือก Apply (หมายเลข 4)

1

2

3 4

13

- ปอนคา 100 ในชอง Magnitude (หมายเลข 5) แลวกด Enter

หมายเหตุ การกําหนดเงื่อนไขแบบอื่น (Convection, Heat, Radiation) ก็สามารถดําเนินการได

ในลักษณะเดียวกัน

5

14

กรณีท่ี 1 การวิเคราะหการถายเทความรอนบนเงื่อนไข Temperature

- การกําหนดเงือ่นไข Temperature ใหกับปลายทัง้สองดานของแทงทรงกระบอกมี

ข้ันตอนดังที่ไดอธิบายไวในหัวขอ 2.3 ที่ผานมา

- การกําหนดเงือ่นไข Perfect Insulated ใหกับขอบดานขางของแทงทรงกระบอก

ดําเนินการเชนเดียวกับที่ไดอธิบายไวในหัวขอ 2.3 โดยเลือก Steady-State

Thermal (หมายเลข 1) จากน้ันคลกิเลือก

Heat --> Perfect Insulated (หมายเลข 2) --> คลิกเลือกผิวดานของของวัตถุ

(หมายเลข 3) --> คลิก Geometry กด Apply (หมายเลข 4)

T=0oC T=100oC

Perfect Insulated (q=0 W)

1

2 3

4

15

- คลิกขวา Steady-State Thermal เลือก Solve (หมายเลข 5) รอจนกระทั่ง

โปรแกรมคํานวณเสรจ็

- แสดงผลโดยคลิก Solution (หมายเลข 6) จากน้ันคลกิเลือก Temperature

(หมายเลข 7) (เสรจ็แลวกลับไปเลือก Total Heat Flux เพิ่มเขามาดวย)

- คลิกขวาที่ Temperature (หมายเลข 8) เลือก Evaluate All Results

- คลิกเลือก Smooth contour (หมายเลข 9) หากตองการแสดงผลเฉดสีที่ตอเน่ือง

5

6

7

16

- คลิกเลือก Min, Max หรอื Probe (หมายเลข 10) หากตองคานอยสุด มากสุด หรอืคา

ณ ตําแหนงจุดที่ตองการ

8

9

10

17

กรณีท่ี 2 การวิเคราะหการถายเทความรอนบนเงื่อนไข Heat flow (flux, generation)

แทงทรงกระบอกทําจากวัสดุ Structural steel ปลายดานหน่ึงของแทงอยูติดกบัแหลง

ความรอน q=500 W (Heat flow) สวนปลายอกีดานหน่ึงมอีุฯหภูมิ 25oC ขอบดานขางถูกหุม

ฉนวนไวเปนอยางดี ไดการวิเคราะหและผลการคํานวณแสดงไวในรูปดังตอไปน้ี

q=500 W T=25oC

Perfect Insulated (q=0 W)

18

กรณีท่ี 3 การวิเคราะหการถายเทความรอนบนเงื่อนไข Convection

แทงทรงกระบอกทําจากวัสดุ Structural steel ปลายดานหน่ึงของแทงมอีุณหภูมิ 300oC

ผิวดานขางและปลายดานทีเ่หลืออกีดานหน่ึงสัมผัสกับบรรยากาศที่มีอุณหภูมิแวดลอม 25oC เกิด

การถายเทความรอนแบบการพาความรอนข้ึนภายใตคาสัมประสิทธ์ิการพาความรอน h= 50

W/m2oC ไดการวิเคราะหและผลการคํานวณแสดงไวในรปูดังตอไปน้ี

T=300oC

Convection h= 50 W/m2oC

T=20oC (Ambient temperature)

19

20

กรณีท่ี 4 การวิเคราะหการถายเทความรอนบนเงื่อนไขกรณีท่ี 3 แตวัสดุตางชนิดกัน

- เลือกชนิดของวัสดุโดยคลิกขวา Engineering Data เลือก Edit (หมายเลข 1)

- เลือก View และตรวจสอบวาเครือ่งมอืและการแสดงผลตางๆถูกเลือก (หมายเลข 2)

- เลือกชนิดของวัสดุโดยคลิกขวา Engineering Data เลือก Edit (หมายเลข 1)

- เลือก View และตรวจสอบวาเครือ่งมอืและการแสดงผลตางๆถูกเลือก (หมายเลข 2)

- คลิกเลือกหมายเลข 3 เพื่อใหแสดงฐานขอมลูของวัสดุที่อยูใน Library

- คลิกเลือกทีเ่ครื่องหมาย + (สเีหลือง) หมายเลข 3 เพื่อเพิม่ขอมูลของวัสดุไปใน

ฐานขอมูลของการวิเคราะห (หมายเลข 4)

- คลิก Return to Project (หมายเลข 5) เมื่อตองการกลบัสูหนาตางเดิม

1 2

3 5

21

- คลิก Solid จะไดหนาตาง Detail of “Solid” ปรากฏข้ึน คลิกที่เครือ่งหมาย + หนา

Material ไปที่ชอง Assignment เปลี่ยนชนิดวัสดุเปน Aluminum Alloy (หมายเลข 5)

- คลิกขวาที่ Solid เลือก Update (หมายเลข 6)

4

5

6

22

- คลิกขวาที่ Steady-State Thermal เลอืก Solve รอจนโปรแกรมคํานวณเสรจ็

- แสดงผลโดยดับเบลิคลกิที่ Temperature ใน Solution (หมายเลข 7)

7

23

3. การเพิ่มอัตราการถายเทคามรอน

ครีบ (Fin) ถูกออกแบบเพื่อติดบนชิปคอมพิวเตอรเพื่อระบานระบายความรอน

Rectangular fin of dimensions 50x50x3 mm.

Chip generates a maximum heat power of 0.2 W.

The coefficient of thermal conductivity (k)= 250 W/mK. The heat is

dissipated by convection from the substrate with the convection heat

transfer coefficient (Film coefficient) is 25 W/m2 K and the bulk (ambient)

temperature is 27oC.

เงื่อนไขการถายเทความรอนจึงเปน

- ผิวดานลางของครบีที่ติดอยูกบัชิปจงึมเีงื่อนไขแบบ Heat Power = 10 W

- ผิวดานอื่นที่เหลืออยูติดอากาศแวดลอมจงึเปนเงือ่นไขแบบ Convection

50 mm

50 mm

q=10 W T=27oC

h=25 W/m2 K

3 mm

ชิปที่ติดอยูบนแผงวงจร ผลิตความ

รอนขนาด 10 W แผข้ึนสูครีบ

ครีบที่ติดเขากับชิป ระบาย

ระบายความรอนโดยการพา

(Top view)

24

3.1 สรางรูปทรงของปญหา

ลักษณะของปญหาที่วิเคราะหเปนแผนโลหะทรงสี่เหลี่ยมจตุรัสขนาด 50x50 mm หนา 3

mm ทําจากวัสดุ Ceramic ดังรูป การสรางรูปทรงของชิปตามขนาดที่กําหนดมาใหโดยใช DM

ตามวิธีการที่อธิบายในหัวขอ 1.1 และ 1.2

3.2 การเขาสูโหมดคํานวณและกําหนดสมบัติของวัสดุ

- ดับเบิลคลิก Steady-State Thermal เพื่อเขาสูโหมดคํานวณ (หมายเลข 1)

- คลิกขวา Engineering Data เลือก Edit เพื่อเขาสูโหมดการกําหนดสมบัติของวัสดุ

(หมายเลข 2)

1

2

25

- คลิกเลือกหมายเลข 3 เพื่อใหแสดงฐานขอมลูของวัสดุที่อยูใน Library

- คลิก Thermal Materials (หมายเลข 4) เพื่อขอมูลของวัสดุใน Library

- คลิกเลือกทีเ่ครื่องหมาย + (สเีหลือง) หมายเลข 5 เพื่อเพิม่ขอมูลของวัสดุไปใน

ฐานขอมูลของการวิเคราะห

- คลิก Return to Project (หมายเลข 6) เมื่อตองการกลบัสูหนาตางเดิม

- คลิก Model เลือก Edit (หมายเลข 1) เพื่อโหลดแบบเขียนที่สรางบน DM มาไวที่

หนาตางของ Ansys เพื่อใชวิเคราะห ซึง่จะไหดรปูดังแสดงในหมายเลข 2

- คลิก Solid (หมายเลข 3) จะไดหนาตาง Detail of “Solid” ปรากฏข้ึน คลิกที่

เครื่องหมาย + หนา Material ไปที่ชอง Assignment เปลีย่นวัสดุเปน Ceramic5 (หมายเลข 4)

- คลิกขวาที่ Solid เลือก Update (หมายเลข 5)

3

4

5

6

26

1 2

3

4

5

27

3.3 การกําหนดเง่ือนไขความรอน

- คลิกขวา Setup เลอืก Edit (หมายเลข 1)

- คลิกขวา Steady-State Thermal (หมายเลข 2) จากน้ันคลิก Heat เลือก Heat

flow (หมายเลข 3)

- คลิกผิวดานลางของรูปทรงเพื่อปอนคา (หมายเลข 4)

- ปอนคา 10 ในชอง Magnitude เพื่อกําหนดขนาดความรอน (หมายเลข 5)

- กด Apply (หมายเลข 6) เพื่อยืนยันการปอนคา

1

2

3

4

5

6

28

- คลิกที่ Convection (หมายเลข 7) เพื่อเลอืกเงื่อนไขการพาความรอนสําหรบัการ

คํานวณ

- คลิกผิวดานทีเ่หลือของรูปทรงเพือ่ปอนคา (หมายเลข 8) โดยการเลือกหลายดาน

พรอมกันทําไดโดยการกดปุม Ctrl บนแปนพิมพแลวใชเมาสกดเลือกดานตอไปของ

รูปทรง

- ปอนคาสัมประสทิธ์ิการพาความรอน h=25 และคาอุณหภูมแิวดลอมเปน 27

(หมายเลข 9)

- กด Apply (หมายเลข 10) เพื่อยืนยันการปอนคา

7

8

9

10

29

3.4 การสรางเมชและคํานวณ

- คลิก Mesh (หมายเลข 1) จะไดหนาตาง Detail of “Mesh” ในชอง Relevance

Center เลอืก Fine (หมายเลข 2)

- คลิกขวาที่ Mesh เลือก Generate Mesh (หมายเลข 3)

- คลิกขวาที่ Steady-State Thermal เลือก Solve (หมายเลข 4)

1

2

3

4

30

3.5 การแสดงผล

- ดับเบิลคลิกที่ Result (หมายเลข 1) เพื่อเขาสูโหมดการแสดงผล

- คลิกที่ Solutions (หมายเลข 2) คลิกที่ Thermal เลือก Temperature (หมายเลข 3)

- คลิกขวาที่ Temperature ใน Solution เลือก Evaluate All Result (หมายเลข 4)

1

2

3 4

ชิปหาย!!!!!

31

3.6 จะลดอุณหภูมิบนผิวชิปใหอยูในชวงปลอดภัยได ?

โดยหลกัการแลวการลดอุณหภูมบินผิวชิปสามารถทําไดโดยเพิ่มอัตราการถายเทความ

รอนใหมากข้ึน ซึ่งทําไดสองแนวทางหลกัคือ เพิ่มพื้นทีผ่ิวในการถายเทความรอน และเพิ่ม

สัมประสิทธ์ิการพาความรอน ในที่น้ีจะแสดงใหเห็นในแนวทางแรกคือการเพิม่พื้นทีผ่ิวโดยใช

อุปกรณที่เรียกวาครีบระบายความรอน ดังแสดงในรปู

ขั้นตอนการสรางรูปทรง

- กลบัไปทีห่นาตาง DM เลือกแบบที่สรางไดกอนหนาน้ีมาใชเปนฐานเพือ่ที่จะสรางครบี

เพิ่มเติมเขาไป โดยกําหนดใหครบีมีความยาวเทากับชิบ สงู 25 mm และหนา 3 mm

50 mm 3 mm

25 mm

32

- คลิกเลือกหมายเลข 1 เพื่อสรางระนาบอางองิใหมบนหนาของแผนวัตถุ

- ใน Type คลิกเลอืก From Face (หมายเลข 2) จากน้ันคลกิเลอืกผิวดานหนาของ

แผนดังแสดงในหมายเลข 3

- ที่ Base Face คลิกเลือกบนชองสีเหลือง (หมายเลข 4) จะปรากฏปุม Apply ใหคลิก

เลือก (หมายเลข 5)

- คลิก Generate (หมายเลข 6) เพื่อยืนยันการดําเนินการ

1 2

3

4

5 6

33

- คลิก Sketching (หมายเลข 7) เลือก Rectangular (หมายเลข 8) และวาดรูป

สี่เหลี่ยมที่มีความยาวเทากับแผนสีเ่หลี่ยม (หมายเลข 9)

- คลิก Dimension (หมายเลข 10) เพื่อกําหนดขนาดใหกบัรปูที่วาด โดยกําหนดความ

กวางเทากบั 3 mm (หมายเลข 11)

- คลิก Modify (หมายเลข 12) เลือก Copy (หมายเลข 13)

- คลิกเสนทัง้ 4 เสนของรูปสี่เหลี่ยมที่วาด (หมายเลข 14)

- คลิกเมาสปุมขวาเลอืก End/Set Paste Handle (หมายเลข 15)

- คอยๆใชเมาสคลิกจัดวางเสนที่ Copy ใหวางกระจายอยางสม่ําเสมอ (หมายเลข 16)

- คลิก Generate เพื่อยืนยันการ Copy แลวเสรจ็ (หมายเลข 17)

7

8

9 10

11

12

34

- คลิก Extrude เพื่อสรางรปูทรงเปน 3 มิติ (หมายเลข 18) โดยกําหนดความสูงของ

รูปทรงเปน 25 (หมายเลข 19)

- คลิก Apply เพื่อยืนยันการดําเนินการ (หมายเลข 20) และคลิก Generate เพื่อสราง

รูปทรง 3 มิติ (หมายเลข 21)

13

14

15

16 17

18

35

ขั้นตอนการสรางเมช

- ดับเบลิคลกิ Model (หมายเลข 1) เพื่อโหลดรูปทรงทีส่รางจาก DM มาไวบนหนาจอ

หลักของ Ansys

- คลิก Solid (หมายเลข 2) จะปรากฏหนาตาง Detail of “Solid” จากน้ันเลือก

Ceramic5 เปนชนิกของวัสดุ (หมายเลข 3)

- คลิก Mesh (หมายเลข 4) ที่ Relevance Center เลือก Fine (หมายเลข 5)

- คลิกขวาที่ Mesh เลอืก Generate Mesh (หมายเลข 6)

19

20 21

1

2

3

4

36

ขั้นตอนการกําหนดเง่ือนไข

- คลิก Steady-State Thermal (หมายเลข 1) คลิกเมนู Heat เลือก Heat Flow

(หมายเลข 2)

- คลิกผิวดานลางของรูปทรง (หมายเลข 3) ที่ Magnitude ปอนคา Heat Flow เทากับ

10 (หมายเลข 4) แลวกด Apply (หมายเลข 5) เพื่อยืนยันการดําเนินการ

6

5

1

2

37

- คลิก Steady-State Thermal (หมายเลข 1) คลิกเลือก Convection (หมายเลข 6)

- ปอนคาสัมประสิทธ์ิ h=25 และอุณหภูมิแวดลอมเทากบั 27 (หมายเลข 7)

- คลิกเลือกพื้นผิวทุกดานยกเวนผิวดานลาง (หมายเลข 8)

- คลิก Apply เพื่อยืนยันการดําเนินการ (หมายเลข 9)

4

3

5

6

7

8

9

38

ขั้นตอนการคาํนวณและแสดงผล

ดูรายละเอียดของข้ันตอนไดในตัวอยางทีผ่านมาขางตน ผลการคํานวณพบวาการเพิ่ม

พื้นที่ผิวโดยใชอุปกรณครบีระบายความรอน สามารถลดอุณหภูมิที่ผิวของชิปเหลอืไมเกิน 60oC

(จากเดิมที่ไมมีการติดต้ังครีบซึ่งมีอุณหภูมสิูงกวา 165oC)

ปลอดภัย !!!!!

จะเห็นไดวาการติดครีบจะชวยเพิม่พื้นทีผ่ิวในการระบายความรอน ชวยใหถายเทความ

รอนดีข้ึน นอกจากน้ีเรายังสามารถเพิ่มอัตราการถายเทความรอนไดโดยเพิ่มสัมประสิทธ์ิการพา

ความรอน h ใหมากข้ึน (ในทางปฏิบัติคือการติดพัดลมเปาน่ันเอง)

39

4. การวิเคราะหความเคนเชิงความรอน

ความเคนเชิงความรอน (Thermal Stress) เปนรูปแบบของความเคนที่เกิดจากผลของ

Thermal load โดยความรอนจะไปทําใหเน้ือวัสดุเกิดการขยายตัวคลายกับมีแรงมากระทํา การ

วิเคราะหความเคนเชิงความรอนจึงมี 2 ข้ันตอน คือ การคํานวณหา Thermal load ซึ่งก็คือการ

กระจายอุณหภูมิทีเ่กิดข้ึนในเน้ือวัสดุ ในข้ันน้ีใชการคํานวณแบบ Thermal analysis ธรรมดา

และการคํานวณหาแรงดานโครงสราง หรือ Static Structural โดยนําผลของ Thermal load มา

เปนแรงที่กระทําตอโครงสราง

การวิเคราะหความเคนเชิงความรอนโดยใชโปรแกรม Ansys ทําไดดังน้ี

40

ทรงกระบอกกลวงดังรูป

การสรางรูปทรง

เขาโหมด Sketching เพื่อวาดวงกลมสองวงซอนกัน โดยวงในมีเสนผานศูนยกลาง 10

mm และวงนอกมีขนาด 15 mm จากน้ันทําการ Extrude เพื่อสรางรูปทรงเปนแบบสามมิติ

ข้ันตอนการดินการใชอธิบายไวในหัวขอทีผ่านๆมา รปูทีส่รางเสรจ็แสดงในรูปดานลาง

10 mm 15 mm

30 mm

41

การกําหนดเง่ือนไขการถายเทความรอน

- หนาตาง Workbench ใหดับเบลิคลิกที่ Model (หมายดลข 1) เพื่อโหลดรูปจาก DM

เขามาวิเคราะหใน Ansys ดังแสดงในหมายเลข 2

- ทําการกําหนดเงื่อนไขการถายเทความรอน โดยปลายดานหน่ึงอยูติดกบัแหลงความรอน

ที่มีอุณหภูมิ 300oC สวนดานที่เหลือสมัผสักบัอากาศแวดลอมเกิดการถายเทความรอนแบบการพา

โดยมีเงือ่นไข h=25 W/m2oC และ T=27oC

1 2

300oC

ผิวดานอื่นๆ อยูติดกับบรรยากาศจงึ

มีเงื่อนไขแบบ Convection โดย

h=25 W/m2oC และ T=27oC

42

การกําหนดชนิดวัสดุและการสรางเมช

- กําหนดชนิดของวัสดุไดตามข้ันตอนหมายเลข 1 และ 2

- สรางเมชและกําหนดความละเอียดของเมชไดตามข้ันตอน 3 ถึง 7

1

2

3

4

5

6

7

43

ขั้นตอนการวิเคราะหดานความรอน (Steady-State Thermal)

1

2

3

4

5 6

1

2

3

4

5

44

ขั้นตอนการวิเคราะหดานความเคน (Static Structural)

การวิเคราะหดานความเคนเชิงความรอน เมื่อ Solve ความรอนเสรจ็ คาโหลดความรอน

และขอมลูเกี่ยวกบัรปูรางจะถูกสงไปเปนขอมลูปอนเขาใหกบัการคํานวณดานโครงสราง (จะเห็น

เสนโยงจาก Steady-State Thermal ไป Static Structure ดังน้ันเมื่อเขาสูโหมดการคํานวณ

Static Structure จึงเริม่ตนจากการ Setup เลย

6

7

8

8

1

45

2 3

4

5

1

2

3

4

46

4

47

5. การถายเทคามรอนแบบไมคงตัว

การวิเคราะหความความรอนแบบไมคงตัว คือ การวิเคราะหดานการถายเทความรอนที่

ข้ึนกับเวลาที่เปลี่ยนไป โหมดที่ใชในการวิเคราะหคือ Transient Thermal โดยการวิเคราะหในที่น้ี

จะใชรูปทรงจากหัวขอที่ 4 โดยจะวิเคราะหเพียงความรอนเทาน้ัน

การกําหนดรปูทรงและสรางเมช

- คลิกที่ Model เลือก Edit (หมายเลข 1) เพื่อโหลดรปูทรงเขามาวิเคราะห จะไดรปูดัง

แสดงในหมายเลข 2

- คลิก Solid (หมายเลข 3) จากน้ันตรวจสอบชนิดของวัสดุใหเปนไปตามที่กําหนด

(Structural steel)

- สรางเมชโดยใชลําดับข้ันตอนตามหมายเลขที่ 4 ถึง 6

1

2

48

3

4

5 6

49

การกําหนดเง่ือนไขการถายเทความรอน

- สรางกําหนดเงื่อนไขใชลําดับข้ันตอนตามหมายเลขที่ 1 ถึง 12 ตอไปน้ี

1

2

3

4

5 6

7

8

9

10

11 12

50

- กําหนดเงือ่นไขเริม่ตนใชลําดับข้ันตอนตามหมายเลขที่ 13 ถึง 14 ตอไปน้ี (โดยทั่วไป

เงื่อนไขอุณหภูมเิริม่ตนควรเปนคาเดียวกับอุณหภูมิอากาศแวดลอม)

- กําหนดเงื่อนไขข้ันเวลา (Time step) โดยคลิกที่ Analysis Setting (หมายเลข 15)

จากน้ันเลือก Number of Steps และขอมลูอื่นๆ ตามหมายเลข 16

13

14

15

16

51

การแสดงผลขอมูลการคํานวณ

1

2

3

4

52

แสดงการกระจายอุณหภูมิที่เวลาตางๆ

5

6

0 วินาท ี 1 วินาท ี 2 วินาท ี

4 วินาท ี 6 วินาท ี 8 วินาท ี

10 วินาท ี

อุณหภูมิสงูสุด อุณหภูมิตํ่าสุด

53

6. ปญหาปฏิสัมพันธของไหล-การถายเทความรอน

6.1 เปดโปรแกรม Ansys Workbench และดําเนินการตามลําดับดังน้ี

- คลิกเลือก Steady-State Thermal (หมายเลข 1) เพื่อเขาสูโหมดการคํานวณการ

ถายเทความรอนแบบสภาวะคงตัว

- ดับเบิลคลิก Geometry (หมายเลข 2) เพื่อเขาสูโหมดการสรางรูปทรง

- คลิกเลือก Millimeter (หมายเลข 3) เพื่อกําหนดหนวยการวัดขนาดที่จะใชในโปรแกรม

1 2

3

54

6.2 การสรางรูปทรงของปญหา

ปญหาน้ีเปนศึกษาถึงการถายเทความรอนทีเ่กิดข้ึนภายในทอสองสอง ลักษณะของปญหาที่

วิเคราะหเปนทอโลหะทรงกระบอกสองช้ันที่มีของเหลวสองอุณหภูมิไหลอยูภายในทอ ขนาดของ

ทอ (หนวย : น้ิว ) ดังรปู

6.2.1 ข้ันตอนการวาดโครง 2 มิติ มีข้ันตอนการสรางดังน้ี

- เลือกระนาบ YZPlane

- คลิกเลือก Sketching (หมายเลข 2) เพื่อเขาสูโหมดการวาดรูป

- คลิกเลือก Arc by Center (หมายเลข 3) เพื่อเขาสูโหมดการวาดรูปวงกลม

- วงเมาสที่จุดตัดแกนแลวลากออกดานนอกจะไดวงกลมดังแสดงในหมายเลข 4

55

- คลิกเลือก Dimension (หมายเลข 4) จากน้ันนําเมาสมาคลกิบนเสนวงกลมที่ไดตาม

หมายเลข 3 แลวลากเมาสออกไปดานนอกวงกลมเล็กนอย จะไดสัญลักษณการ

กําหนดขนาดรัศมีของวงกลมดังหมายเลข 5

- ปอนคาเลข R1 = 0.2725 น้ิว (หมายเลข 6) เพื่อกําหนดขนาดของรัศม ี

1

2

3

56

- สรางเสนตรงสองเสนจากจุดศูนยกลางของวงกลมไปยังขอบทั้งสองดาน ดังรูป

- คลิก New Sketch จะปรากฏ Sketch2 ข้ึนมา สรางสวนโคงของวงกลมสองเสน ขนาด

เทากับ 0.2725 น้ิว และ 0.3125 น้ิว แลวลางเวนตรงเช่ือมขอบของเสนโคงทั้งสองเสน ดังรูป

4

5

6

57

- คลิก New Sketch จะปรากฏ Sketch3 ข้ึนมา สรางสวนโคงของวงกลมสองเสน ขนาด

เทากับ 0.3125 น้ิว และ 0.3925 น้ิว แลวลางเวนตรงเช่ือมขอบของเสนโคงทั้งสองเสน

- คลิก New Sketch จะปรากฏ Sketch4 ข้ึนมา สรางสวนโคงของวงกลมสองเสน ขนาด

เทากับ 0.3925 น้ิว และ 0.4375 น้ิว แลวลางเวนตรงเช่ือมขอบของเสนโคงทั้งสองเสน ดังรูป

58

6.2.2 ข้ันตอนการข้ึนรูปทรง 3 มิติ มีข้ันตอนการสรางดังน้ี

- คลิกเลือก Modelling เพื่อเขาสูโหมดการข้ึนรปูทรง 3 มติิ

- คลิกเลือก Sketch1 จาก Tree Outline (หมายเลข 7)

- คลิกเลือก Extrude (หมายเลข 8) เพื่อข้ึนรปูทรงจากภาพวาดวงกลมเปนรูป

ทรงกระบอก 3 มิติ

- ปอนคา 48 (หมายเลข 9) เพื่อกําหนดความยาวของทรงกระบอก 3 มิติที่จะข้ึนรปู

- คลิก Generate (หมายเลข 10) เพื่อสรางรูปทรง 3 มิติ

- คลิกเลือก Sketch2 จาก Tree Outline

- คลิกเลือก Extrude เพื่อข้ึนรูปทรงจากภาพวาดวงกลมเปนรูปทรงกระบอก 3 มิติ

- เปลี่ยน Operation เปน Add Frozen

- คลิก Generate เพื่อสรางรปูทรง 3 มิติ

- สําหรับ Sketch3 และ Sketch4 ทําเชนเดียวกบั Sketch2

7

8

9

10

59

ที่ Outline Tree จะแสดงรูป 3 มิติ ทั้งหมด 4 Parts 4 Bodies กดเครื่องหมาย + เพื่อกระจาย

Parts ทั้งหมดเพื่อเปลี่ยนช่ือ และกําหนดคุณสมบัติใหกับวัสดุน้ันๆ

- 1 ช่ือ inner_fluid เปลี่ยน Fluid/Solid เปน Fluid

- 2 ช่ือ inner_pipe เปลี่ยน Fluid/Solid เปน Solid

- 3 ช่ือ outer_fluid เปลี่ยน Fluid/Solid เปน Fluid

- 4 ช่ือ outer_pipe เปลี่ยน Fluid/Solid เปน Solid

60

จากน้ันเลือกทั้ง 4 parts แลวคลิกขวา เลือก Form New Part.

เสร็จสิ้นข้ันตอนการสรางรปูทรงที่ใชในการวิเคราะหปญหาน้ี ปด DesignModeler

1

2

3

4

61

6.3 การคํานวณโดยใชโปรแกรม Ansys Workbench

บนหนาจอ Ansys Workbench ใหดําเนินการตามลําดับดังน้ี

- ดับเบลิคลกิ Model (หมายเลข 1) เพื่อโหลดรูปทรงทีส่รางจาก DM มาไวบนหนาจอ

หลักของ Ansys จะไดรปูดังแสดงในหมายเลข 2

1

2

62

6.3.1 กําหนดขอบเขตของรูปทรงที่ใชในการวิเคราะห

- คลิกเลือก แกน –X โปรแกรมจะแสดง ระบบ YZ ข้ึนมา จากน้ัน เปลี่ยนตัวเลือกใหเปน

Face แลวเลือก หนาทีเ่ปน inner fluid คลิกขาว เลือก Create Name Section ต้ัง

ช่ือเปน inner_inlet

- เลือก หนาที่เปน outer fluid คลิกขาว เลือก Create Name Section ต้ังช่ือเปน

outer_inlet

- คลิกเลือก แกน +X โปรแกรมจะแสดง ระบบ YZ ข้ึนมา จากน้ัน เปลี่ยนตัวเลือกให

เปน Face แลวเลือก หนาที่เปน inner fluid คลิกขาว เลือก Create Name

Section ต้ังช่ือเปน inner_outlet

63

- เลือก หนาที่เปน outer fluid คลิกขาว เลือก Create Name Section ต้ังช่ือเปน

outer_outlet

- คลิกเลือกผิวดานนอกสุดของทอ คลกิขวาเลือก Create Name Section ต้ังช่ือเปน

insulation_surface

64

- คลิกเลือก แกน +Z โปรแกรมจะแสดง ระบบ XY ข้ึนมา จากน้ัน เปลี่ยนตัวเลือกให

เปน Face แลวเลือก Face ทั้ง 4 Face คลิกขาว เลือก Create Name Section ต้ัง

ช่ือเปน Symmetry_1

- คลิกเลือก แกน –Y โปรแกรมจะแสดง ระบบ XZ ข้ึนมา จากน้ัน เปลี่ยนตัวเลือกให

เปน Face แลวเลือก Face ทั้ง 4 Face คลิกขาว เลือก Create Name Section ต้ัง

ช่ือเปน Symmetry_2

65

6.3.2 การสรางเมช

- คลิกเลือก outer_fluid (หมายเลข 1)

- คลิก Mesh Control ที่ แถบเครือ่งมอื แลว เลือก Inflation (หมายเลข 2)

- เลือกเสนโคง หมายเลข 3 และ หมายเลข 4 คลิก Apply

- เปลี่ยน Inflation Option เปน Total Thickness, Number of Layers : 5 ,

Maximum Thickness 0.03

คลิก Update แลวปด Meshing

1 2

3 4

66

6.4 วิเคราะหโดยใช Ansys Fluid Flow (FLUENT)

เปด Fluent โดยดับเบลิคลิกที่ Setup จะมหีนาตาง FLUENT Launcher prompt.

ข้ึนมา คลิก OK

6.4.1 General

- Units Length เปน in (inches) แลวกด Close

6.4.2 Models

- EnergyOn

67

- Viscousk-Epsilon (2 eqn) OK

- RadiationDiscrete Ordinates (DO) OK

68

6.4.3 Materials

- Create/Edit Fluent Database

* เลือก water-liquid (h2o) CopyClose.

- Create/Edit Fluent Database

เปลี่ยน Material Type เปน solid เลือก copper CopyClose.

69

6.4.4 Cell Zone Condition

- เลือก part-inner_fluidEditเปน Material Name เปน water-liquidOK

- เลือก part-inner_pipeEditเปน Material Name เปน copperOK

- เลือก part-outer_fluidEditเปน Material Name เปน water-liquidOK

- เลือก part-outer_pipeEditเปน Material Name เปน copperOK

6.4.5 Boundary Condition

- เลือก inner_inletEdit

Momentum tap Velocity Magnitude (m/s): 0.8384

Turbulent Kinetic Energy: 0.01

Turbulent Dissipation Rate: 0.1

Thermal tap Temperature: 288K

คลิก OK

- เลือก outer_inletEdit

Momentum tap Velocity Magnitude (m/s): 0.9942

Turbulent Kinetic Energy: 0.01

Turbulent Dissipation Rate: 0.1

Thermal tap Temperature: 323K

6.4.6 Solution

- เลือก Solution Methods

70

- เลือก Solution Controls

- เลือก MonitorsResidual MonitorOK

71

- เลือก Solution InitializationStandard Initialization Initialize

72

6.4.7 Run CalculationCalculate

73

แสดงผลอุณหภูม ิ

74

แบบฝกหัด

1. การนาํความรอนบนแผนโลหะ

ลักษณะของปญหาที่วิเคราะหเปนแผนโลหะทรงสี่เหลี่ยมขนาด 4mx4mx0.1m สองแผน

ติดกัน มีเงื่อนไขขอบเขต ดังรูป

คุณสมบัติของวัสดุ

Thermal conductivity = 43 w/ (m.๐c)

ผลของการกระจายของอุณหภูมิบนแผนโลหะ

ผลเฉลยทีพ่ิกัดอางอิงจุด C (2, 2, 0.1) มีคาอุณหภูมิเทากับ 25oC

100 ๐c

0 ๐c

0 ๐c

0 ๐c

X

Y

C

75

2. การระบายความรอนของ Cooling fin

ลักษณะของปญหาที่วิเคราะหเปนแทงโลหะทรงสี่เหลี่ยมขนาดหนาตัดเทากบั 5cmx5cm

ความยาวเทากับ 25cm ทําจาก Aluminum ดังรูป

เง่ือนไขสําหรบัการวิเคราะห

ปลายดานที่ 1 อุณหภูมิ : 100 ๐c

ปลายดานที่ 2 : เปนฉนวน

คาการนําความรอน (Thermal conductivity) : 237.5 w/(m. ๐c)

สัมประสิทธ์ิการพาความรอนทีผ่ิว (Convection coefficient) : 6.87 w/m2K

5cm

5cm

1

2

76

ผลของการกระจายอุณหภูมิท่ีเกิดขึ้น

อุณหภูมิที่ปลายดานที่ 1 เทากบั 100 ๐C

อุณหภูมิที่ปลายดานที่ 2 เทากับ 93.203 ๐C