5分钟学一个Thermal Desktop案例——高温辐射环境热防护层设计及优化
哈喽大家好，这里是SINDA/FLUINT&ThermalDesktop&NX-SST教学的桉师傅！wx“桉师傅热仿真”和仿真秀上都可以看到我的教学视频以及相关学习材料~热防护是保护物体免受高温损害的关键技术，广泛应用于航空航天、消防、化工等多领域。在航空航天领域，热防护系统对于高速飞行器至关重要，通过被动、主动或半被动方式阻隔热量传递，保护飞行器结构不受高温影响。在其它领域，例如热防护服在消防、冶金等行业中保护工作人员免受高温和火焰的伤害，热防护材料在建筑领域用于隔热和防火，提高建筑的安全性并实现节能等总的来说，热防护技术广泛应用于多个领域以确保结构或者系统的稳定运行，那么如何设计可靠且高效的热防护系统呢？今天就来讲解如何用ThermalDesktop快速实现热防护层的设计及参数优化。一、案例背景圆柱形热导线，长度约1m，直径6mm，其外包裹气凝胶热防护材料，气凝胶的参数如下所示。将导线放在400℃（673K）的环境中辐射换热，并且与环境对流换热，对流换热系数20W/m^2·K，要求计算出气凝胶的最小厚度，使导线的表层温度（气凝胶底层温度）在加热1800s后小于350℃（623K）。设置导线表面的发射率和吸收率为0.2，高温环境的发射率和吸收率为0.8。图1高温圆柱体导线的计算模型二、计算设置1.输入材料参数QNJdaoxian和辐射环境参数ENVIRON和TPS。图2输入热物性和光学特性参数2.用内置功能绘制半径为0.2m的圆柱筒作为辐射边界（如下模型图7的绿色套筒所示），设置边界温度400℃（约为673K），底层参与辐射，参数为ENVIRO发射率=吸收率0.8。图3设置辐射参与面3.从内向外为导线、气凝胶材料，气凝胶底层设置为绝热，因此可以不绘制导线的几何体，直接绘制一个圆柱套筒代表气凝胶，观测其内壁的温度，设置内直径6mm。4.设置气凝胶的内半径RCY1_1=0.003m(6mm直径)，外半径为RCY1_2=RCY1_1+Thick1；Thick1作为后续计算的优化变量，此处暂取厚度Thick1为0.06m。图4寄存器或变量的设置5.设置气凝胶内层和两个端面的节点Nodes均为绝热。图5设置端面和底层节点绝热6.绘制边界节点，设置温度为400℃，设置该节点与气凝胶的表面节点换热，换热系数为20W/m^2·K，“To”一栏要选中圆柱的外表面。图6设置导热连接图7模型设置完成图7.设置求解变量Thick1的范围为1mm~60mm之间；设置底层温度限制条件为恒定为350℃，也可以设置小于350℃。此处找了模型底层的中间点，ID为502，因此设置限制变量为CYL1.T502在优化过程中温度恒为350℃（623K）。图8设置优化变量范围图9设置计算限制条件8.打开Control界面，设置求解器在寻优过程中的目标为参数最小化（求厚度最小值），并针对情况选择适合使用的算法。图10设置求解器的目标和算法9.在Procedure中设置优化目标OBJECT为厚度变量Thick1，在Procedure和OPERATIONS中都设置调用瞬态计算。图11设置优化目标和调用瞬态计算三、计算结果打开CaseSetmanager，新建一个计算1800s瞬态的案例，计算初始值厚度为0.06m的温度分布情况。根据结果可知，当气凝胶厚度Thick1=6cm时，能满足要求，其截面温度分布和外层温度分布情况如下图所示，底层温度为155℃（428.7K），外层和端面绝热无明显温度梯度。图12瞬态单工况温度分布绘制导线中间截面所有的点的温度情况图如下所示，由外至内依次降低，最外层从293K升至670K左右，底层温度由293K升至428.7K（155℃），也即可知6cm的防护层厚度过厚，一定存在一个更薄的气凝胶厚度，使换热1800s后，底层温度刚好可以升到350℃。图13瞬态单工况温度结果根据第二节的提示计算动态优化案例，SINDA在寻优过程中出现弹窗并不断迭代，计算完毕后显示最优值为0.03396m。修改寄存器的值为0.034m，通过瞬态单工况的计算来验证优化所得的结果是否达到了控制底层温度如我们预期的350℃。根据截面温度分布情况可知，0.034m正是我们想要的结果，底层附近点的温度刚好在623.9K，能在1800s内实现底层温度不超过350℃，并且此时材料的厚度是满足要求下的最小值。图14优化结果的瞬态验证结果四、思路扩展非常开心你能看到这里，5分钟内你已经基本学会了如何使用ThermalDesktop完成热防护层的设计及优化。但你是否对操作过程还有很多疑问，例如：(1)如何设置多个寻优变量？OBJECT到底应该怎么写？(2)如何搭建主动冷却热防护系统？优化参数还可以设置厚度吗？(3)文章中的圆柱体横截面云图如何开启？能否出视频讲解一下？(4)我自己的案例更复杂一些，博主能否提供技术支持？如果大家有相关疑问，请在评论区告诉我，我会尽快推出相关的文章或者视频，感谢大家的关注和支持~
