При выполнении нестационарного теплового расчета (как в интерфейсе Mechanical APDL, так и в модуле ANSYS Mechanical расчётной среды Workbench) иногда возникают обстоятельства, приводящие к нефизичным результатам. Примером может служить получение температур за пределами диапазона, обусловленного заданными начальными и граничными условиями, как показано на рисунке 1. Это может произойти при использовании больших чисел Био (задании больших коэффициентов конвективного теплообмена) или при неграмотном задании размера подшагов по времени. Чаще эта проблема проявляется на конечных элементах второго порядка.
В данной статье описан пример получения таких нефизичных результатов и способы для их устранения.
Модель для нестационарного теплового расчета.
Тестовая задача представляет собой прямоугольный параллелепипед с начальной температурой 300 °С и заданным по пяти из шести граней условием конвективного теплообмена с температурой жидкой среды 22 °С и коэффициентом теплообмена 0,01 Вт/(мм?·°С).
Тепловое поле после небольшого подшага по времени показано на рисунке 3 и имеет температуры, превышающие 300 °С, что является нефизичным результатом.
Причинами получения таких результатов является использование элементов второго порядка, элементов тетраэдральной формы и высоких чисел Био. Уменьшить этот эффект можно посредством уменьшения размера элементов, использования элементов первого порядка и элементов гексаэдрической формы.
На рисунке 4 представлены результаты расчёта той же тестовой задачи с использованием гексаэдрических элементов того же размера. Результаты всё ещё не идеальны, но гораздо лучше, чем при использовании тетраэдрических элементов.
