Casi di verifica per analisi termiche
Trasferimento di calore in una parete composita
Enunciato del problema: la parete di un forno è costituita da due strati di mattoni refrattari e mattoni isolanti. La temperatura all'interno del forno è di 3000 gradi F (Tf​) e il coefficiente di convezione della superficie interna è pari a 3.333 x 10​-3 ​BTU/s ft​2 ​ F (hf​).
La temperatura ambiente è di 80 gradi F (Ta​) e il coefficiente di convezione della superficie esterna è pari a 5.556 x 10​-4 BTU/s ft2 F (h​a). Trovare la distribuzione della temperatura nella parete composita.
1. Strato interno
Coefficiente del trasferimento di calore: 3.333 x 10​-3 BTU/s (ft2)(F)
Temperatura ambiente (temperatura all'interno del forno): 3000 F
2. Strato esterno
Coefficiente del trasferimento di calore: 5.556 x 10​-4 BTU/s ft2 (F).
Temperatura ambiente: 80 F
Proprietà del materiale
Proprietà geometriche
Mattone refrattario: k = 2.222 x 10-4​ BTU/s ft F
Isolamento: k = 2.778 x 10-5BTU/s ft F
Sezione trasversale = 1 poll x 1 poll
Spessore mattone refrattario = 9 poll
Spessore parete isolante = 5 poll
Confronto dei risultati - Dispositivo di scorrimento della qualità di simulazione nella posizione di default
Risultati
Target
Creo Simulate
Ansys Discovery Live
Creo Simulation Live
Errore percentuale
Temperatura minima (F)
336
336.64
320.83
321.42
4.53
Temperatura massima (F)
2957
2597.17
2959.8
2959.75
0.09
Confronto dei risultati per Creo Ansys Simulation (mesh di default)
Risultati
Target
Ansys AIM
Creo Ansys Simulation
Errore percentuale
Temperatura minima (F)
336
336.68
336.64
0.19
Temperatura massima (F)
2957
2957.2
2957.17
0.006
Conduzione in un blocco solido composito
Enunciato del problema: si consideri la conduzione termica in una parete creata come composto di due materiali. Il materiale 1 ha una sorgente di generazione di calore uniforme pari a 6000 watt applicata sulla superficie esterna, mentre il materiale 2 ha una superficie esterna esposta al raffreddamento convettivo. Calcolare la temperatura della superficie adiabatica sul lato sinistro del dominio.
Fonte: F.P. Incropera, D.P. Dewitt. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 5th Edition, pag. 117, 2006.
Proprietà del materiale
Proprietà geometriche
Carico
Materiale 1: conduttività = 75 W/m-K
Materiale 2: conduttività = 150 W/m-K
Dimensioni del blocco:
70 mm X 80 mm
Materiale 1 = 50 mm
Materiale 2 = 20 mm
Spessore = 1000 mm
Superficie sinistra: flusso di calore = 6000 W
Superficie destra: HTC = 1000 W/m2 K e temperatura media ponderata del fluido = 30 C
Tutte le altre superfici sono adiabatiche.
Confronto dei risultati - Dispositivo di scorrimento della qualità di simulazione nella posizione di default
Risultati
Target
Creo Simulate
Ansys Discovery Live
Creo Simulation Live
Errore percentuale
Temperatura della superficie adiabatica sul lato estremo sinistro, in gradi C
165
165
163.09
163.09
1.17
Confronto dei risultati per Creo Ansys Simulation (mesh di default)
Risultati
Target
Ansys AIM
Creo Ansys Simulation
Errore percentuale
Temperatura della superficie adiabatica sul lato estremo sinistro, in gradi C
165
165.08
165.08
0.05
Trasferimento di calore da una barra di raffreddamento
Enunciato del problema: una barra di raffreddamento in acciaio di area trasversale A e lunghezza L si estende da una parete mantenuta a temperatura T w. Il coefficiente di convezione superficiale tra la barra e l'aria circostante è h, la temperatura dell'aria è T a e la punta della barra è isolata. Trovare il calore condotto dalla barra e la temperatura della punta.
Le condizioni di convezione vengono applicate a tutte e 4 le superfici longitudinali.
Fonte: F. Kreith, "Principles of Heat Transfer", 2nd Printing, International Textbook Co., Scranton, PA, 1959, pag. 143, es. 4-5
Proprietà del materiale
Proprietà geometriche
Carico
K = 9.71x10-3BTU/s-ft-F
Sezione trasversale = 1.2 poll x 1.2 poll
L = 8 poll
T w = 100 F
T a = 0 F
H = 2.778x10-4 BTU/s-ft2-F
Confronto dei risultati - Dispositivo di scorrimento della qualità di simulazione nella posizione di default
Risultati
Target
Creo Simulate
Ansys Discovery Live
Creo Simulation Live
Errore percentuale
Temperatura della punta, in gradi F
79.0344
78.96
78.87
78.866
0.21
Confronto dei risultati per Creo Ansys Simulation (mesh di default)
Risultati
Target
Ansys AIM
Creo Ansys Simulation
Errore percentuale
Temperatura della punta, in gradi F
79.0344
78.966
78.965
0.087