電流による発熱

前提:ステンレス鋼ワイヤーは 200 A の電流を流します。このワイヤーは長さ 1 m、線径 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 ωmm

検出: ワイヤの中心部の温度。

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。モデルを作成しなかった場合は、Autodesk Simulation インストール ディレクトリの[モデル]サブフォルダ内の 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]コマンドを右クリックして選択します。[大きさ]フィールドに 0.198 と入力し、[剛性]フィールドに 1e8 と入力して、[OK] を押します。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 と入力し、[剛性]フィールドに 1e8 と入力して、[OK] をクリックします。
  3. ブラウザ(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. ブラウザで、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 メニューで[軸対称]オプションを選択して、[OK]をクリックします。
  5. ブラウザで、パーツ 1 の[材料]見出しを右クリックして、[材料を編集]コマンドを選択します。[プロパティを編集]をクリックします。 電気伝導率は抵抗率の逆数です。[電気伝導率]フィールドに 1428.57 と入力して、[OK]を 2 回クリックします。
  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。
  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][形状][長方形]を使用して、モデルの下部エッジを選択します。[結果の照会][照会][現在の結果]を選択して、[概要]ドロップダウン メニューの[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. ここで、熱伝導解析を実行して、電流が温度の結果にどのような影響をもたらすかを確認する必要があります。ブラウザで[解析タイプ]を右クリックして、[解析タイプ設定][熱][定常熱伝導解析]を選択します。[はい]をクリックし、完全なメッシュのコピーを使用して、設計シナリオ 2 を作成し、熱伝達解析に設定します。
  11. ブラウザで、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 メニューで[軸対称]オプションを選択します。[OK]をクリックして、ダイアログ ボックスを閉じます。
  12. ブラウザで、パーツ 1 の[材料]見出しを右クリックして、[材料を編集]コマンドを選択します。[プロパティを編集]をクリックします。 [熱伝導率]フィールドに、0.019 と入力して、[OK]を 2 回クリックします。(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 + をクリックして、[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 と入力し、[温度]フィールドに 110 と入力して、[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。ブラウザで[解析タイプ]見出しを右クリックして、[解析パラメータを編集]コマンドを選択します。[電]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 ボックスをアクティブにして[閲覧]をクリックします。静電解析から、モデルの ds_data\1 フォルダにあり、ds.efo という名前の .efo ファイルまで移動します。[開く]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 ボックスの[電]タブを選択して、.efo ファイルの適切な格納場所まで移動します。

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: 定常熱伝導解析