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温湿度梯度场目 录摘要Abstract1引言1.1课题的背景1.2本文的主要研究内容2有限元法与ANSYS2.1有限元分析方法概述2.2 ANSYS运用概述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3.1.2模型结构剖析3.2对流方案3.3有限元解3.3.1 ICEM网格划分3.3.2 CFX对流分析3.3.2.1预设结果3.3.2.2模型原理3.3.2.3流体域设置3.3.2.4边界条件设置以加热为例3.3.2.5初始边界条件和求解管理器设置3.3.2.6文档输出3.3.2.7 Solver Manager3.3.2.8 CFD-Post3.3.3其余部件对流分析3.3.3.1加湿3.3.3.2降温3.3.3.3除湿3.3.4温湿度耦合分析3.3.5温湿度分析总结3.3.6温控箱实物效果4结束语参考文献致谢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v2m/s根据以上数据可计算得流体雷诺数Re5152.17〉4000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。[1]3.3.2.3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1fluid2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