毕业设计—基于ANSYS的小型温室的温湿度场对流分析.doc

福建农林大学本科毕业设计说明书设计题目： 基于ANSYS的小型温室的温湿度场对流分析 学 院： 机电工程学院 专业年级： 11级机械设计制造及其自动化 学 号： 3116104041 学生姓名： 黄阳平 指导教师、职称： 张翔 教授 2013年 5 月 15 日According to ANSYS convection analysis in humiture field of minitype greenhouseCollege： Mechanical and Electrical Engineering College Specialty and Grade： Mechanical Design Manufacturing and Their Automation 2011 Grades Number： 3116104041 Name： Huang Yang ping Advisor： Zhang Xiang, Professor Submitted time: May 15 , 2013 目 录摘要IAbstractI1 引言11.1课题的背景11.2 本文的主要研究内容12 有限元法与ANSYS22.1 有限元分析方法概述22.2 ANSYS运用概述23 小型温室结构模型对流分析33.1建立模型33.1.1 创建模型33.1.2 模型结构剖析43.2 对流方案43.3 有限元解53.3.1 ICEM网格划分53.3.2 CFX对流分析83.3.2.1预设结果83.3.2.2模型原理83.3.2.3流体域设置93.3.2.4边界条件设置（以加热为例）93.3.2.5 初始边界条件和求解管理器设置113.3.2.6 文档输出113.3.2.7 Solver Manager123.3.2.8 CFD-Post123.3.3 其余部件对流分析133.3.3.1 加湿133.3.3.2 降温143.3.3.3 除湿153.3.4 温湿度耦合分析163.3.5 温湿度分析总结173.3.6 温控箱实物效果174 结束语18参 考 文 献19致谢20 福建农林大学本科毕业设计说明书摘要植物培养箱（小型温室）是一密闭空间内能根据箱内植物的生长及外界环境变化而自动调节箱体内部温湿度、CO2浓度及光照强度的自动化设备。在实物设计初期，运用有限元分析法对小型温室的温湿度场进行对流分析，从而得到其温湿度梯度场分析图，进而结合理论优化加热加湿部件位置，以最大限度改善箱内温湿度对流效果和节约成本。本次设计使用ANSYS12.0对小型温室的温湿度场做对流分析。首先运用UG6.0为培养箱建立模型，之后加以简化生成可用于作分析的模型。其次使用ANSYS软件中的ICEM对模型做网格划分，最后划分好的网格模型导入CFX，通过设定相关参数得出我们所需的温湿度云图。该分析结果运用于实际的设计制造中效果明显，基本符合实际，为实物的生产进度节省了不少时间和成本，是一行之有效又快速的计算解法。关键词：小型温室，有限元分析，ANSYS，温湿度梯度场AbstractPlant incubator (minitype greenhouse)is a automation equipment which is according to plant growth and the external environment change in the course of a confined space, automatically adjust the chamber temperature and humidity, CO2 concentration and light intensity . At the beginning of the project design, applying the finite element analysis method to do convection analysis for small greenhouse.Thus, obtaining some results about convection analysis in temperature and humidity field. And then combining the theory to optimization the heating and humidifying component location, so that maximum improve the convection effects in temperature and humidity field and save costs.This design using ANSYS12.0 for small greenhouse to do fluid analysis in the temperature and humidity field. Firstly, Use of UG6.0 for incubator to build model so that can be simplify the model information to make analysis .Secondly, use of the ICEM(a part of ANSYS software ) partition the model mesh.Finally, leading it to CFX so that require temperature and humidity chart which is we need that through setting related parameters. To sum up, the results of model analysis applied to the actual design have a obvious effect and general in line with the fact as it help us saving a lot of time and cost .so it is an effective and fast calculation method.Key Words： minitype greenhouse; FEA; ANSYS; humiture field1 引言1.1课题的背景我国属于季风性气候,一年有春夏秋冬四季变化。育苗在一年中的生长速度随着季节的变化有一定的周期性，即生长的季节周期性。植物生长的季节周期性，总是和它所处环境的季节变化相符合，这是在环境条件和植物长期相互作用下形成的内在的生长节律。例如，育苗芽在春季开始生长，不论是高生长还是直径生长，表现出的生长模式都为“慢快慢”的节奏。到了秋季，植物开始落叶，进入休眠。这个过程主要是受四季的温度、水分、日照等条件制约影响的。随着经济的发展，季节性自然生长的作物已经难以满足人们的要求，为此大棚温室栽种被广泛应用，但人力部分占得比重大。在小型温室设计中，能实现自动控制温湿度的温控箱越来越受到重视，这也是本次设计的目的所在。设计之初先建模做分析能有效的减少成本和提升设计的可行性，随着现代机械设计要求的日益完善，将有限元法运用于机械设计分析已成为必然的趋势。其主要优势在于，传统机械设计耗工耗时，设计周期长，造成成本偏高。将有限元分析法运用到机械设计之中，可以优化零件形状或部件位置摆放，从而提高产品质量和降低成本。特别是减少了试件的制作。其在产品设计和研究中所显示出的优越性，使其成为机械设计过程中的有利工具，已经越来越受到设计者的需要。1.2 本文的主要研究内容ANSYS是一款集结构力学、流体、电磁场、声场分析于一体的大型商业分析软件。其功能强大，可靠性好，因而被多数业内人士所青睐。本文将基于ANSYS12.0建立小型温室内部有限元分析模型，对室内温湿度做对流分析。本次设计将基于ANSYS12.0对小型温室的温湿度场进行对流分析，从而得到其温湿度梯度场分析图，进而结合理论优化加热加湿等部件位置,为后期箱体设计及部件放置提供设计依据和降低设计成本。2 有限元法与ANSYS2.1 有限元分析方法概述有限元法是一种离散化的数值解法,专门用于求解各类实际工程问题。线性或非线性等应力分析问题及流体力学、电磁学以及高速冲击动力学等问题都可以通过有限元法得到解决。其基本思路是将较为复杂的问题较换成较简单的问题后再求解。此时求解域可以看成是由许多称为有限元的小互联子域组成，对每一单元假定一个合适的（或简单的）近似解，然后推导求解这个域的满足条件，从而得到问题的解。2此时解是近似解，因为实际问题被较简单的问题所替代。有限元解法不仅计算精度高，而且能求解各种复杂情况，是一种高效而简洁的工程分析手段。2.2 ANSYS运用概述ANSYS是一个多用途的有限元计算程序软件包，目前，它从最初涉及的固体力学领域，逐渐推广到温度场、流体场、电磁场、声场等其他介质研究领域。2软件主要包括三个部分：Pre模块（含ICEM网格划分），Solver模块和Post模块。本次设计采用ANSYS软件ICEM+CFX组合设计方案做温室的对流分析。ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可分为稳态和非稳态。分析结果可以是每个节点的压力或通过每个单元的流率。之后在运用后处理模块生成流率、压力和温度分布示意图。整体步骤是：1、使用ICEM，它提供了一个强大的建模及网格划分工具选项，用户可以方便地划分网格，构造有限元分析模型。2、将生成的网格导入Pr e模块，定义模拟类型、域、边界条件、求解器控制和物质属性。3、在Solver模块设置求解器管理器，定义模拟计算，之后求出残差收敛曲线，为后面云图分析显示做奠定工作。4、利用Post模块将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量、粒子流迹示、立体切片、透明及半透明（显示内部结构）等多种图形显示方式表现出来，或是计算结果以图表或曲线形式显示和输出。软件提供了多种单元类型，专门用来模拟工程中的各种结构和模型分析。3 小型温室结构模型对流分析3.1建立模型3.1.1 创建模型 打开UG6.0，新建【装配】模型assembly1.prt，选择【新建组件】按钮，依次创建6个组件模型，整体装配模型及其主、右视图如图3-1、3-2、3-3所示：图3-1 整体装配模型图 图3-2 主视图 图3-3 右视图3.1.2 模型结构剖析本次设计的小型温室大致由箱体框架，植物放置板，加固板，门框，盖板及元器件放置板组成；其余排线、传感器另计。如图3-4所示：盖板箱体框架植物放置板加固板元器件放置板门框图3-4 模型爆炸图3.2 对流方案密闭的小型温室利用排风扇一端吸气、一端排气的原理，在箱体底部安装3个尺寸为70x70的大风扇，此外左右两端各设置5个通孔，做小风扇通气口及线路管道所用，如图3-5所示： 图 图3-5 对流方案图 3- 3.3 有限元解3.3.1 ICEM网格划分1.点击UG6.0，创建划分网格模型model1.prt（如图3-6所示）；打开ICEM软件，选择file（如图3-7所示）导入模型并调整成线框模型（如图3-8所示）。 图3-6 model1.prt 图3-7 文件导入 图3-8 线框模型图 2.点击part，选择【creat part】（如图3-9所示）创建进出风口及其他面体，分别设定为BODY1、IN1、IN2、OUT1、OUT2、TOP及WALL如图3-10、3-11、3-12所示： 图3-9创建part 图3-10部件名称 图3-11 BODY1图 图3-12 其他面体图3. 隐藏矩形框，选择面网格划分 ，设置各个面的Max size，如图3-13、3-14所示图3-13 max size 8面体 图3-14 面尺寸设置图4.设置全局网格尺寸为32，边界层高度为2.64，其余为默认，黄色区域为可选边界层，如图3-15、3-16、3.17所示：图3-15 全局网格 图3-16 边界层 图3-17 边界层选择5.设置生成体网格的body，定义为BODY2，拾取对角点为网格顶点，如图3-18所示：图3-18 几何体设置6.选择，以四面体为划分单元计算划分的网格（如图3-19所示），接着删除多余节点和检查网格质量，最后平滑网格质量（如图3-20所示）以使网格最优化。 图3-19 计算网格 图3-20 平滑网格质量7.分析最终网格质量平滑，达到0.4，满足CFX模型分析使用要求，计算结果可信（如图3-21、3-22所示）。选择Output，设置文档输出类型为ANSYS CFX，输出文档fangan.cfx，网格划分结束。图3-21网格划分二维图图3-22 网格划分三维图3.3.2 CFX对流分析3.3.2.1预设结果插入Mesh，选择【ICEM CFD】,导入文档fangan.cfx，分别设定所需的域、边界条件、初始条件和求解管理器，最终显示图像如图3-23、3-24所示： 图3-23 状态显示 图3-24 图形显示3.3.2.2模型原理湍流由流体在流动域内随时间与空间的波动组成，是一个三维、非稳态并伴随能量消耗的自然流动现象。流体的性质对湍流形式有很大影响，当流体惯性力相对黏性力不可忽略时，湍流就会发生，通常用雷诺数Re标定1为：式中，流体的密度；流体的黏度；表征速度；表征长度。对于内部对流问题，V和L通常取流通平均速度和通道直径。依据相关资料查得，密度，流体的黏度，通道直径和风扇内径一致取40mm，对流风扇单个1000转，可换算得流速v=2m/s，根据以上数据可计算得流体雷诺数Re=5152.174000，为湍流状态。本次设计湍流模型选用 模型，其在数学方程和求解精度之间，提供了在数值计算消耗和计算精度之间一个优异的平衡点，适合绝大多数的工程湍流模型。13.3.2.3流体域设置基本设置中选定设置区域、计算模型和压力值，对fluid2，选择【Water Ideal Gas】，其余按默认设置，如图3-25、3-26所示： 图3-25 Basic Settings 图3-26 Fluid models3.3.2.4边界条件设置（以加热为例）（1）创建边界条件【IN1】，基本设置中选择边界类型为Inlet，定义IN1为进风口，设置速度和温度分别为2m/s、30, 【volume fraction】的fluid1值设置为1，fluid2值设置为0，其余按默认设置，如图3-27、3-28所示：图3-27 IN1参数设定 图3-28 流体含量设定（2）创建边界条件【IN2】，基本设置中选择边界类型为Inlet，定义IN2为进风口，设定速度及温度参数为27m/s和25，其余设置同上，如图3-29所示：图3-29 IN2参数设定（3）创建边界条件【OUT1】，基本设置中选择边界类型为Outlet，定义OUT1为出风口，设定速度及温度参数为2m/s，其余设置默认，如图3-30所示： 图3-30 OUT1参数设定（4）创建边界条件【OUT2】，基本设置中选择边界类型为Outlet，定义OUT2为出风口，设定速度及温度参数为27m/s，其余设置默认，如图3-31所示：图3-31 OUT2参数设定（5）创建边界条件【BODY】和【WALL】，基本设置中选择边界类型为Wall，定义body和wall面无滑移，受阻力影响，热量传输为绝热，如图3-32所示： 图3-32 Wall参数设定3.3.2.5 初始边界条件和求解管理器设置如图3-33、3-34所示 图3-33 初始值设定 图3-34 求解器设定3.3.2.6 文档输出保存文档fangan.cfx，并选择输出文档，命名为fangan.def，设定结束。3.3.2.7 Solver Manager运行CFX-Solver Manager，导入上步所设置的文件fangan.def（如图3-35所示），求解计算从而得出其残差曲线，如图3-36所示：图3-35导入文档 图3-36 加热残差曲线3.3.2.8 CFD-Post 运行CFD-Post12.0，创建平面plane1 ，点击 和 ，分别创建流线和温度云图，流场分布均匀，育苗摆放区域温度适宜，达299K，结果如图3-37、3-38所示：图3-37 加热流线图图3-38 加热温度云图3.3.3 其余部件对流分析3.3.3.1 加湿对小型温室进行加湿，预设内部温度25，进气流体采用Fluid2，进而重复上步加热的步骤计算得出去残差曲线，生成流线图和湿度云图，流场分布均匀，云图区域湿度值为85%RH，适宜育苗培养，如图3-39、3-40、3-41所示：图3-39 加湿残差曲线图3-40 加湿流线图图3-41 加湿湿度云图3.3.3.2 降温对小型温室进行降温，预设室内温度26.5，进气温度23.5，进气流体采用Fluid1，进而重复上步加湿的步骤计算得出其残差曲线，生成流线图和湿度云图，流场分布均匀，云图区域温度值为298K，适宜育苗培养，如图3-42、3-43、3-44所示：图3-42 降温残差曲线图3-43 降温流线图图3-44 降温温度云图3.3.3.3 除湿对小型温室进行除湿，因采用制冷除湿，预设进气温度20，室内温度25，进气流体采用Fluid2，进而重复上步降温的步骤计算得出其残差曲线，生成流线图和湿度云图，流场分布均匀，云图区域湿度值为86%RH，适宜育苗培养，如图3-45、3-46、3-47所示：图3-45除湿残差曲线 图3-46 除湿流线图图3-47 除湿湿度云图3.3.4 温湿度耦合分析小型温室流场的温度和湿度存在耦合关系，当温度（湿度）为定值时，改变室内湿度（温度），此时室内的温度（湿度）值也会随之产生波动。以降温和除湿为例，当温度为定值时（如图3-48所示），湿度值下降为83%RH（如图3-49所示）；当湿度为定值时（如图3-50所示），温度下降为295K（如图3-51所示）；由此可见其流场温湿度存在耦合关系，在设计过程中需要将其考虑在内。图3-48 降温温度定值云图图3-49 降温湿度变化云图图3-50 除湿湿度定值云图图3-51 除湿温度变化云图3.3.5 温湿度分析总结根据以上分析结论可知，温室内部的流场分布相对均匀，各参数的梯度性良好。，在稳定状态下，植物的摆放区域温湿度分布均匀且该流场数值均在298K和85%RH左右，温室上半部温度分布的差值较小，适宜育苗的的培养。同时，传感器的摆放位置不宜处于角落处，尽量偏中，以提高后续传感器数值采样的可靠度。总的来说，该分析为温控箱实物设计奠定了热力学基础。3.3.6 温控箱实物效果整体的实物图和传感器位置图如图3-52、3-53所示：图3-52 实物整体图图3-53 传感器位置图4 结束语本次基于ANSYS的小型温室的温湿度场对流分析课题使我在机械制造及有限元软件分析上受到了很好的锻炼，所学的知识终于有了一次综合运用的实战机会。因为做实物的关系，学习ANSYS的时间并不长，加之英文操作界面和有限元分析原理掌握不透彻，使得在ANSYS的运用上遇到不少困难。本次毕业设计是一个