Soporte al Usuario de COSMOS/™ -- Nota Técnica Nº 91
ANALISIS CONJUGADO DE TRANSMISION DE CALOR
EN LAMPARA HALOGENA DE 20 W.
Productos: COSMOS/FloWorks 2001 PE
Versión: Todas las Versiones
Categoría: Preprocesado, Análisis y Postprocesado
Ultima revisión: Junio-2002
Se trata de estudiar y analizar el comportamiento térmico de transmisión de calor por Conducción y Convección que se produce en una lámpara de mesa entre el foco de calor que es una bombilla halógena de 20 W y la superficie externa del tubo de aluminio que forma el cuerpo de la lámpara, tal como se muestra en las imágenes adjuntas:
Vista en perspectiva de la
Lámpara
Vista en detalle de la Bombilla
Halógena de 20 W
Se parte del modelo geométrico de la lámpara generado en el programa de modelado sólido SolidWorks 2001Plus tal como muestra la figura siguiente:
Vista en Corte del Modelo de
la Lámpara en SolidWorks
Definición del Dominio del Análisis:
A partir de la geometría de SolidWorks mediante COSMOS/FloWorks automáticamente se genera el Dominio de Análisis mediante un prisma rectangular que engloba el modelo. Como nuestro tipo de análisis de fluidos es "externo", los planos frontera del dominio de análisis se sitúan automáticamente a una cierta distancia del modelo:
Detalle del Dominio de
Análisis definido automáticamente por FloWorks
Definición del Tipo de Análisis:
Lo primero que debemos hacer es definir el tipo de análisis -- interno o externo. En nuestro caso el dominio es externo ya que no tenemos ninguna fuente de movimiento impuesta en el modelo, salvo el movimiento del fluido por el calentamiento de las capas de aire más próximas a la bombilla alógena, generando el llamado "efecto chimenea" por el fenómeno de convección de calor. Un análisis de flujo externo nos permite estudiar el flujo sobre o alrededor de un avión, coches, edificios, etc.. En nuestro caso el análisis es interno y externo, ya que nos interesa conocer el reparto de temperaturas en las piezas sólidas y el movimiento del aire tanto en el interior de la lámpara como en el exterior de la misma.
FloWorks automáticamente considera la transferencia de calor dentro del fluido y entre las paredes y el fluido (convección). En este caso hemos activado esta opción para calcular el calor intercambiado a través de los sólidos (conducción) y por convección entre las paredes y el aire habilitando la combinación de intercambio de calor por convección y conducción (conocido como Análisis Conjugado de Transferencia de Calor). El programa requiere que se indiquen los diferentes materiales de que están compuestos los componentes sólidos, así como la temperatura inicial del sólido. FloWorks resuelve problemas de flujo turbulento por defecto.
Definición del Tipo de
Problema
En problemas de convección natural, es necesario incluir la gravedad y definir la componente del vector de aceleración adecuadamente, en nuestro caso la aceleración de la gravedad actúa en la dirección del eje Z negativo de valor Az = -9.81 m/sg2.
Aceleración de la Gravedad
Definición del Tipo de Fluido:
El tipo de Fluido es Aire en reposo a presión y temperatura ambiente:
Definición del Tipo de Fluido
Definición de Materiales Sólidos:
La lista de materiales sólidos utilizados en el análisis son Aluminio y Vidrio:
Materiales Sólidos Seleccionados
COSMOS/FloWorks dispone del "Engineering Database HandBook" que es una amplia base de datos con información física de diferentes sustancias tales como Gases, Líquidos, Sólidos, Materiales Porosos y Curvas de Ventiladores, incluyendo tanto valores constantes como parámetros físicos en función de la temperatura y la presión. Las curvas de ventiladores se definen mediante valores de caudal vs. presión. Las imágenes siguientes muestran las propiedades del aluminio seleccionado:
Lista de Materiales Sólidos
Propiedades Térmicas del Aluminio
Variación de Propiedades Térmicas
del Aluminio
En problemas conjugados de flujo externo con transferencia de calor, las condiciones iniciales o de ambiente a definir son las siguientes:
- Presión al nivel del mar,
- Temperatura ambiente del fluido = 20 ºC,
- Temperatura inicial de los componentes sólidos = 20 ºC
- El fluido se encuentra inicialmente en reposo (velocidad = 0):
Parámetros Termodinámicos de
Temperatura y Presión del Aire
Velocidad Inicial del Aire
Temperatura Inicial del Sólido
Asignación de Propiedades a Materiales Sólidos:
Con el recurso "Volume Condition" en FloWorks asignamos el tipo de material sólido y la temperatura inicial de cada uno de los componentes sólidos incluidas en el ensamblaje:
Selección del Subconjunto
Bombilla-1
Asignación del Material Cristal a la
Bombilla
Selección del Resto de Piezas
Asignación del Material Aluminio al
resto de componentes
La carga térmica de 20 W se aplica a los componentes del sub-ensamblaje "BOMBILLA-1" mediante la opción de generación de calor interna, tal como muestran las siguientes imágenes:
Generación de Calor Interno en la
Bombilla
Aplicación de 20 W en la Bombilla
Definición de Objetivos del Análisis:
Antes de proceder a la ejecución del análisis se definen los criterios y objetivos de convergencia de la solución. Un objetivo global es un parámetro físico calculado en el dominio completo de análisis, mientras que un objetivo de volumen se calcula en el volumen del componente.
Objetivo Global de Velocidad
Objetivo Volumétrico de Temperatura
en la Bombilla
Parámetros de Mallado Iniciales:
El nivel inicial de la malla gobierna la precisión del análisis mediante parámetros de mallado, en función de la precisión deseada y los recursos de hardware (CPU y memoria RAM) disponibles. El nivel de mallado seleccionado ha sido el nivel 3, que es un buen compromiso entre precisión del análisis y velocidad de obtención de resultados. Para capturar perfectamente los detalles del tubo sólido en orden a obtener una buena precisión de resultados de transmisión de calor en las paredes del tubo se ha prescrito "manualmente" un espesor de pared mínimo de 1 mm. Este parámetro redundará en un incremento notable del tiempo de análisis:
Definición del Nivel Inicial
de Mallado
Durante el proceso de análisis se puede seguir la evolución de la solución visualizando las gráficas de convergencia de la solución. La malla construida tiene más de 240.000 elementos fluido y más de 228.000 elementos sólidos. El tiempo de cálculo ha sido de casi 4.5 horas en un ordenador Pentium 4 a 1.7 GHz y 1 GB de memoria RAM bajo Windows XP Professional:
Visualización del Progreso de la
Solución mediante el "Monitor de Convergencia"
La siguiente figura muestra el reparto de temperaturas en una sección longitudinal de la lámpara, en donde se aprecia el efecto chimenea provocado por el movimiento ascendente de las partículas del fluido desde la base de la lámpara (situada a la derecha del dibujo) hasta la parte superior de la misma, debido a las diferencias de temperaturas existentes entre la zona muy caliente de la lámpara halógena (que alcanza temperaturas de hasta 400ºC) y la temperatura ambiente del Aire de 20ºC. El movimiento del fluido se debe al intercambio de calor entre las paredes sólidas de la lámpara y el fluido que le rodea debido al fenómeno de la convección.
Aquí reside a nuestro juicio la ventaja más importante de resolver un problema térmico de transferencia de calor en donde interviene la convección como un problema "conjugado" fluido-térmico -- el programa de fluidos calcula automáticamente las pérdidas y ganancias de calor entre la superficie del sólido y el fluido que le rodea, no es necesario especificar manualmente ningún factor de película o coeficiente de convección entre sólido y fluido, el programa de fluidos se encarga de todo !!.
Resultados de Temperaturas en Corte
Longitudinal
Vista en Detalle de la Distribución
de Temperaturas en el Fluido y Sólido
Temperaturas en los Componentes
Sólidos junto con la representación mediante Vectores
de la Velocidad del Fluido
"Diagrama X-Y" de Variación de la Temperatura vs. Distancia
El siguiente gráfico muestra variación de la temperatura de la superficie exterior del tubo de la lámpara a lo largo de la longitud de la misma. Se observa que presenta dos pequeñas zonas muy localizadas cuya temperatura se acerca a los 70ºC -- una cercana al "soporte espejo" y la otra a la bombilla halógena, pero son zonas muy puntuales, de muy pequeña longitud.
La zona del tubo por debajo de la lámpara halógena su temperatura cae rápidamente desde los 60ºC hasta la temperatura ambiente de 20ºC de la base de la lámpara. Y la zona cercana al "soporte espejo" presenta una temperatura media cercana a los 60ºC. Estos gráficos los genera FloWorks de forma automáticamente mediante EXCEL simplemente indicando un camino a base de curvas dibujado sobre el modelo geométrico de SolidWorks.
Detalle de la Línea utilizada para
mediar la Variación
de Temperatura a lo largo del Tubo
Variación de la Temperatura en el
Exterior del Tubo en su Longitud
La siguiente imagen representa la velocidad del fluido en movimiento alrededor de la lámpara, provocado por el intercambio de calor por convección entre las paredes de la lámpara y el fluido que le rodea:
Velocidad del Fluido mediante
Vectores
FloWorks permite representar la trayectoria de las partículas del fluido en movimiento -- en este caso el intenso calor generado por la bombilla halógena provoca un movimiento ascendente de las partículas del aire desde las capas más frías (base de la lámpara) hasta la parte superior de la lámpara, provocando el conocido "efecto chimenea" por la transferencia de calor por convección entre las paredes del tubo de aluminio y el aire que le rodea:
Animación de la Trayectoria de las
Partículas del Aire en Movimiento
En resumen podemos decir que a la vista de los resultados la temperatura de la superficie exterior del tubo alcanza los 70ºC en zonas muy puntuales cercanas a la bombilla halógena y al soporte espejo. Lo más importante es que por debajo de la bombilla halógena la temperatura desciende rápidamente permaneciendo prácticamente constante alrededor de los 45ºC de media, descendiendo a los 20ºC de temperatura ambiente prácticamente en la base de la lámpara. Los resultados experimentales se ajustan perfectamente a los resultados numéricos obtenidos con COSMOS/FloWorks 2001.
