Transferencia de Calor Informe Comsol

8/16/2019 Transferencia de Calor Informe Comsol

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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

TRASFERENCIA DE CALOR 1

PROYECTO COMSOL

JONATHAN LLIVE


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Contenido

Objetivos

Introducción a Comsol

Simulación ejercicio 1



Conclusiones

Bibliografía


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Objetivos

O!"eti#o $ene%&'(Simular en COMSOL ara establecer el resultado ! el com ortamiento de los elementos"ue se encuentran en los libros# ara oder reali$ar un an%lisis de los mismos&

O!"eti#o E )e*+,i*o (• 'stablecer las condiciones necesarias "ue necesitamos ara simular los ejercicios !

oder obtener los resultados&• (nali$ar los resultados obtenidos en la simulación establecer el or"u) de los

mismos&


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T%&n ,e%en*i& de C&'o% en S-'ido

La transferencia de calor es fundamental ara muc*as a licaciones + tanto como un efectodirecto# deseado o como un efecto colateral "ue debe tomarse en cuenta& 'n esteseminario se e,aminar%n los aco lamientos de transferencia de calor con otros ti os defenómenos físicos&-amos a em e$ar con la convección ! la e, ansión t)rmica estructural así comointeracciones electromagn)ticas# "uímicas ! ac.sticas& Con un ejem lo demostraremoscomo resolver esta clase de a licaciones con COMSOL Multi *!sics&/ concluiremos la sesión dando res uesta a las reguntas "ue surjan durante la

resentación&

0i os de 'studio& COMSOL Multi *!sics tiene ti os de estudio b%sicosStationar!&0ime e endent# 0ime iscrete# 0ime+ e endent Modal&'igenfre"uenc! or 'igenvalue&4re"uenc! omain or 4re"uenc! omain Modal&

Los diferentes estudios inclu!en a uno o varios ti os de solución& ("uí se *ace *inca i) demanera universal# en los estudios b%sicos& Stationar! 5'stacionario6& 'ste estudio se utili$a

ara roblemas "ue es eran una solución estacionaria# este ti o de estudio a arte deresolver roblemas estacionarios sirve ara resolver modelos no lineales& 0ime de endent5 e endiente el 0iem o6& 'ste ti o de estudio tiene soluciones con solución de endientedel tiem o o la solución de o timi$ación# la segunda solución es a"uella "ue ermite ajustar

ro iedades avan$adas# en ar%metros o valores "ue est)n redeterminados or el rograma ero "ue necesiten alguna variación ara mejorar el estudio& 'n general este ti o desolución necesita un intervalo de tiem o determinado or el usuario ara oder generar lares uesta&


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PLANTEAMIENTO( PRO.LEMA No/ 1

P%o!'e0& / 2 'i!%o de 3e't4

7n cilindro "ue mide 2 ft de altura ! 3 in de di%metro inicialmente est% a 89:4& eterminar la cantidad de tiem o "ue necesita el centro ara llegar a 899:4 cuando se coloca el cilindro

en un medio a 1299:4 con h= 16 Btu

hr ∗ ft 2° F # la su erficie# ara cilindros esta *ec*o del

siguiente material asbesto

So'5*i-n *on So,t6&%e

Mode'&do

Selección de parámetros iniciales

La simulación de este roblema necesita de una serie de asos revios# COMSOLnecesita de algunos ar%metros "ue est%n a continuación

Di0en i-n de e )&*io 7D

;ermite anali$ar un sólido tridimensional ! or lo tanto el an%lisis se reali$ara enlos tres ejes coordenados&

4igura 1 Selección de es acio dimensional

Se'e**ion&% F+ i*& T%&n ,e%en*i& de C&'o% en So'ido 89t:

'l roblema lanteado ser% anali$ado con las ecuaciones ! ar%metros detransferencia de calor&


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4igura 2 Seleccionar 4ísica

Se'e**ion&% E t5dio'sto establece "ue el roblema es de ti o transitorio ! or lo tanto de ende deltiem o&

4igura 3 Seleccionar 'studio


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'sta ventana es la .ltima en a arecer dentro de la configuración inicial& 0rasseleccionar el ti o de estudio# en este caso de endiente del tiem o# se *ace clic< en*ec*o& Seguido# a arecer%n los módulos "ue ermitir%n modelar el roblema&

4igura Interfa$ ara el modelado

Geo0et%+&

Comsol nos ermite im ortar arc*ivos de otros rogramas como es (70OC(en donde reali$amos reviamente nuestra geometría ara luego guardarla enformato igs el cual nos ermite abrir en comsol el mismo&

4igura = >eometría en (utoC(


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?aciendo clic< derec*o en geometría odemos escoger im ortar obtendremos lasiguiente imagen donde odremos subir nuestra geometría en formato igs&

4igura 8 Im ortar >eometría

Seleccionamos en navegador ! buscamos nuestro cilindro en donde lo tengamosguardado&

M&te%i&';ara asignar el material a nuestro elemento# se tomar%n las características delmaterial "ue el roblema nos ro orciona# dando clic< derec*o en materialseleccionamos nuevo material e ingresamos las ro iedades del mismo en estecaso es asbesto&


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4igura @ Material ! sus ro iedades&

Condi*ione de e t5dio'n el módulo de He&t T%&n ,e%se da un clic< derec*o seleccionando lassiguientes o ciones escogemos A-alores Iniciales el cual nos ermite designar una tem eratura ! tambi)n escogemos A4lujo de Calor ara oder ingresar la *de convección ! su tem eratura&


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4igura Condiciones de estudio

Te0)e%&t5%& Ini*i&' 4 F'5"o de *&'o% )o% *on#e**i-n

("uí escogemos la 0em eratura inicial "ue del roblema "ue es de 2 &@1 D

tambi)n un * de convección de90.85 w

m2∗ K a una tem eratura de E22&9 D&

4igura E (signación de Condiciones


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M&''&do7tili$amos el mallado redeterminado or nuestro softFare# mostrado en lasiguiente figura& Go modificamos el mallada !a "ue el rograma resentaalgunos roblemas es or eso "ue dejamos el mallado or defecto&

4igura 19 mallado

Configuración de análisis transitorio

;ara configurar este an%lisis# en la ventana de stud! se selecciona el ítem Atimede endent donde escogeremos el tiem o inicial# el aso de tiem o# ! el tiem ofinal como se muestra en la figura&

4igura 11 (signación del tiem o


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Re 5't&do

4igura 12 Curvas de tem eratura

4igura 13 istribución de tem eraturas


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PLANTEAMIENTO( PRO.LEMA No/ ;

P%o!'e0& /; 'i!%o de 3e't4

7na viga 1 de acero con las dimensiones mostradas tiene sus atines su erior e inferior ad!acentes a materiales a 1999:4 ! 2=9:4 res ectivamente& 'l aire ambiente est% a 9:4# !se a lica un valor de h H 12 Btu *rJft2J :4 en las su erficies met%licas&a) Su oniendo un cambio des reciable en la tem eratura a trav)s de cada atín# generar unae, resión ara la tem eratura T del alma en función de x, la distancia creciente conres ecto al atín a 1999:4&b) >raficar T(x).e6 'valuar la ra$ón de transferencia de calor or ie# *acia o del alma en ambos atines&


Mode'&do






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Se'e**ion&% E t5dio'sto establece "ue el roblema es de ti o estacionario ! or lo tanto no de endedel tiem o&




Geo0et%+&


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LA VIGA SE LA ANALIeometría

Seleccionamos en navegador ! buscamos nuestra viga donde la tengamos guardada&


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M&te%i&';ara asignar el material a nuestro elemento# se tomar%n las características delmaterial "ue el roblema nos ro orciona# dando clic< derec*o en materialseleccionamos nuevo material e ingresamos las ro iedades del mismo en este

caso es acero&


Condi*ione de e t5dio'n el módulo de He&t T%&n ,e%se da un clic< derec*o seleccionando lassiguientes o ciones escogemos A-alores Iniciales el cual nos ermite designar una tem eratura ! tambi)n escogemos A4lujo de Calor ara oder ingresar la *de convección ! su tem eratura&


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Te0)e%&t5%& Ini*i&' 4 F'5"o de *&'o% )o% *on#e**i-n("uí escogemos la 0em eratura inicial "ue del roblema "ue es de 1999:4 !

2=9:4 tambi)n un * de convección de68.14

w

m2∗ K a una tem eratura de

9:4&


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M&''&do7tili$amos el mallado redeterminado or nuestro softFare# mostrado en lasiguiente figura& Go modificamos el mallada !a "ue el rograma resentaalgunos roblemas es or eso "ue dejamos el mallado or defecto&

4igura 19 mallado


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Con,i$5%&*i-n de &n>'i i e t&*ion&%io

4igura 11 (n%lisis 'stacionario


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Re 5't&do

4igura 12 istribución de 0em eratura


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4igura 13 Línea de 0em eratura

PLANTEAMIENTO( PRO.LEMA No/ 7

E"e0)'o /;? 'i!%o de 3e't4

eterminar la misma información "ue en el ejem lo anterior ara conducciónunidimensional en una laca de magnesio de 1 ft de es esor& Kesolver el roblema deconducción transitorio unidimensional usando una formulación im lícita# ! como arar losresultados con los reci)n obtenidos ara la solución e, lícita&


Mode'&do









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Se'e**ion&% E t5dio'sto establece "ue el roblema es de ti o transitorio ! or lo tanto de ende deltiem o&



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Geo0et%+&




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4igura 8 Im ortar >eometría

Seleccionamos en navegador ! buscamos nuestro cilindro en donde lo tengamosguardado&

M&te%i&';ara asignar el material a nuestro elemento# se tomar%n las características delmaterial "ue el roblema nos ro orciona# dando clic< derec*o en materialseleccionamos nuevo material e ingresamos las ro iedades del mismo en estecaso es magnesio&


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Condi*ione de e t5dio

'n el módulo de He&t T%&n ,e%se da un clic< derec*o seleccionando lassiguientes o ciones escogemos A-alores Iniciales el cual nos ermite designar una tem eratura ! tambi)n escogemos A4lujo de Calor ara oder ingresar la *de convección ! su tem eratura&


Te0)e%&t5%& Ini*i&'


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M&''&do

7tili$amos el mallado redeterminado or nuestro softFare# mostrado en lasiguiente figura& Go modificamos el mallada !a "ue el rograma resentaalgunos roblemas es or eso "ue dejamos el mallado or defecto&

4igura 19 mallado

Configuración de análisis transitorio


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;ara configurar este an%lisis# en la ventana de stud! se selecciona el ítem Atimede endent donde escogeremos el tiem o inicial# el aso de tiem o# ! el tiem ofinal como se muestra en la figura&

4igura 11 (signación del tiem o

Re 5't&do


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4igura 12 istribución de tem eratura

4igura 13 Líneas de tem eratura


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0 50 100 150 200 250 300 3500

20

40

60

80

100

120

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7

Tiempo

Temperatura

4igura 1 0em eratura vs 0iem o

Conclusiones


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Si05'&*i-n E"e%*i*io 1• Se uede observar "ue ara estado transitorio la tem eratura varia ara nuestro

roblema el tiem o se lo uede observar en nuestra grafica a una tem eratura de= :C&

• (l tener como material el asbesto se uede observar como la distribución detem eratura cambia considerablemente a lo largo de nuestro cilindro&

Si05'&*i-n E"e%*i*io ;• La viga de ti o I se la anali$o como una aleta ! a la ves como una laca !a "ue los

atines son des reciables ara Comsol el an%lisis se intensifica en el alma de laviga&

• /a "ue ambas su erficies est%n sometidas a dos ti os de tem eratura diferente se uede observar como la distribución de tem eratura varia a lo alrgo del alma de laviga&

Si05'&*i-n E"e%*i*io 7• (l ser bidimensional sus dimensiones no son des reciables# adem%s e,isten

fenómenos de transferencia de calor ocurriendo en m%s de una dirección del objeto&• (l com arar las gr%ficas obtenidas en la resolución del libro ! con la simulación

odemos decir "ue son similares or lo tanto Comsol es de gran a!uda ara facilitar el trabajo&

Con*'5 ione $ene%&'e• COMSOL al usar como m)todo de resolución los elementos finitos resentan

resultados mu! cercanos a los reales ! el com ortamiento de dic*os resultados en latransferencia de calor&

• La base ara oder usar este simulador es el teórico !a "ue sin un buen lanteamiento de las condiciones ! ti o de roblema no tendremos resultadoscorrectos&

Recomendaciones

• 'stablecer las condiciones iniciales correctamente ara no tener resultados erróneos&• 0ener en cuenta las unidades !a "ue comsol trabaja con sistema internacional&

Bibliogra !a

• 0ransferencia de Calor ( licada a la Ingeniería# elt!

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