電流による発熱

仮定: ステンレス鋼線に 200 A の電流が流れています。鋼線の長さは 1 m で、直径は 3 mm です。このワイヤーを 110 ℃の液体に浸します。液体とワイヤーの間の熱伝達係数は 0.004 W/(mm 2 °C)です。

材料特性:

熱伝導率: 0.019 W/(mm°C)

抵抗率: 0.0007 W mm

検出: ワイヤの中央の温度。

この例は解析の設定と実行をカバーするものです。モデルの構築方法については、「電流による発熱」を参照してください。モデルを構築していない場合は、Autodesk Simulation インストール ディレクトリの[モデル]サブフォルダにある heatgen_input.ach ファイルを開くことができます。

設計シナリオ 1 は電流フローを特定するための静電解析となります。設計シナリオ 2 は温度分布を特定するための熱伝導解析となります。

  1. 物質の抵抗率、およびワイヤーの長さと断面積を把握することで、計算式 R=(ρL)/A. For our 10 mm long section, this value is 9.9 x 10 -4 ω から抵抗率を計算することができます。オームの法則を使用することで、ワイヤー両端の電圧が 0.198 V であることを判断できます。ワイヤーの両端に節点指定電圧を追加して、この電圧差を発生させます。
  2. [選択] [形状][長方形]および[選択][選択][頂点]を使用して、モデルの上部エッジに沿って節点を選択します。[追加][節点指定電圧]を右クリックして選択します。[大きさ]フィールドに 0.198 を入力し、[剛性]フィールドに 1e8 を入力して、モデルの [OK] をす。モデルの下部エッジに沿って節点を選択します。[追加][節点指定電圧]を右クリックして選択します。[大きさ]フィールドに 0 を入力し、[剛性]フィールドに 1e8 を入力して、[OK] をす。
  3. ツリー表示で、パーツ 1 の[要素タイプ]見出しを右クリックして、[2D]コマンドを選択します。
  4. ツリー表示で、パーツ 1 の[要素定義]見出しを右クリックして、[要素定義を編集]コマンドを選択します。[ジオメトリ タイプ]ドロップダウン ボックスで[軸対称]オプションを選択し、[OK]をす。
  5. ツリー表示で、パーツ 1 の見出しの[材料]を右クリックして、[材料を編集]コマンドを選択します。[プロパティを編集]ボタンをす。電気伝導率は抵抗率の逆数です。[電伝導率]フィールドに 1428.57 を入力し、[OK]ボタンを 2 回す。
  6. [解析][解析][シミュレーションを実行]を選択して、モデルを解析して[結果]環境で結果を確認します。
  7. [結果コンター][電圧と電流][電圧]を使用して、電圧が 0 から 0.198 V まで直線的に変化することを確認します。(それ以外の場合は、指定電圧を増やす必要があります)。
  8. このワイヤーを通る 200 A 相当のモデリングを行っていることを確認するために、電流フローを確認します。[結果コンター] [電圧と電流] [電流] [面を通過する電流量]を選択します。[結果コンター] [設定] [結果を平滑化]を選択して、平滑化を無効にします。[選択] [選択] [面]および[選択] [選択] [長方形]を使用して、モデルの下側のエッジを選択します。必ずボトム要素の半分より小さい長方形選択を描画してください。ボトム要素より大きいと、ボトム要素の流出面が正味電流 0 で選択されます。[結果の照会] [照会] [現在の結果]を選択し、[まとめ]ドロップダウン ボックスで[合計]オプションを選択します。結果は 200 A に近い必要があります。
  9. [ツール][環境][FEA エディタ]を使用して、[FEA エディタ]環境に戻ります。
  10. 次に、熱伝達解析を実行して温度の結果に電流が与える影響を確認します。設計シナリオ別に行います。現在の設計シナリオ 1 の解析タイプを変更すると、新しい設計シナリオと解析タイプを一度にすばやく取得できます。ツリー表示で[解析タイプ]を右クリックし、[解析タイプ設定] [熱] [定常熱伝導解析]を選択します。[現在の設計シナリオを新規設計シナリオとしてコピーして操作を行いますか]とたずねるメッセージが表示されます。[はい]をす。熱伝達解析が設定され、完全なメッシュがコピーされた設計シナリオ 2 が作成されます。
  11. ツリー表示で、パーツ 1 の[要素定義]見出しを右クリックして、[要素定義を編集]コマンドを選択します。[ジオメトリ タイプ]ドロップダウン ボックスで[軸対称]オプションを選択します。
  12. ツリー表示で、パーツ 1 の見出しの[材料]を右クリックして、[材料を編集]コマンドを選択します。[プロパティを編集]ボタンをす。[熱伝導率]フィールドに 0.019 を入力し、[OK]をす(質量密度と比熱は、パーツが流体でない限り定常熱伝導解析で必要となりません。)
  13. パーツ 1 の見出しを右クリックして、[追加][発熱]を選択します。 [内部発熱]フィールドに 1 を入力します。これは、プロセッサに対してこのパーツの静電解析で計算された発熱の値を使用するよう指示するフラグとなります。[OK]をクリックします。
  14. [サーフェス]見出しの横にある[+]をクリックし、[表面 2]の見出しを右クリックします。[追加][サーフェス熱伝達]を選択します。
  15. [温度に依存しない熱伝達係数]フィールドに 0.004 を入力し、[温度]フィールドに 110 を入力して[OK]をクリックします。
  16. ジュール熱に使用するファイルを指定します。ツリー表示の[解析タイプ]を右クリックし、[解析パラメータを編集]コマンドを選択します。[電気]タブで、[ジュール効果フラグを計算するために、静電的な結果を使用]チェック ボックスをオンにして、[閲覧]をクリックします。静電解析から efo ファイルに移動します。このファイルはモデルの ds_data\1 フォルダにあり、ファイル名は ds.efo です。[開く]ボタンをクリックします。[OK]をクリックして、解析パラメータを完成させます。
  17. [解析][解析][シミュレーションを実行]を選択して、モデルを解析して[結果]環境で結果を確認します。
  18. 理論解は中心部で 231.6 度です。これが優先的に計算済み結果の 232.2 度と比較されます。

モデルのアーカイブ heatgen.ach は、Autodesk Simulation インストール ディレクトリの[モデル]サブディレクトリに格納されています。モデルを解析するには、[解析パラメータ]ダイアログの[電気]タブを表示し、efo ファイルの正しい場所に移動する必要があります。

リファレンス:

J. P. Holman, Heat Transfer 7th Edition. McGraw Hill. Example 2-4 p. 42.

親トピック: 静電電流と電圧解析