Modélisation thermique avec Solidworks

[Phil27]

Bonjour à tous,

Cela fait quelques jours que je me penche sur la modélisation thermique (rayonnement) avec Solidworks 2017 mais les résultats donnés par la simulation ne colle pas avec ceux attendus et même avec un exemple très simple.
Autant j'avais pu étudier, il y a déjà quelques temps, le module flow simulation d'une façon très satisfaisante autant cela coince avec ce nouveau (pour moi du moins) module... et comme je n'aime pas rester en plan et que je n'ai pas trouver de réponse sur le net je m'en remets à vos avis éclairés !

Je me suis posé un exemple simple dont la solution SW ne me satisfait pas du tout :

Une sphère pleine de 600 mm de diamètre, en acier allié (par défaut sur SW mais peu importe), avec une température de 500°C (773K).
Volume = 4/3xPix0,3³ = 0,113 m³
Masse volumique donnée par SW : 7700 kg.m^-3
Masse sphère : 871 kg
Cp = 460 J.kg^-1.K^-1
Surface sphère : S = 1,131 m²
J'ai pris une émissivité de 1 : corps noir pour simplifier l'exemple
On suppose que la sphère rayonne dans un espace maintenu à 0°C (273K) sans conduction ni convection.
Facteur de forme 1

Donc je fais le calcul à la main de la puissance nette rayonnée :
P = 5,67.10^-8 * 1,131 * 1 * (773⁴ -273⁴) = 22 540 W

L'avantage d'une telle masse, c'est qu'en 1 seconde la sphère perd au maximum 22540 J soit une chute maxi de température de :
Delta T = 22540 / (871 * 460) =0,056 K.

Maintenant place à la modélisation SW (qui ne me donne pas satisfaction au niveau des résultats)

A - J'adopte une modélisation en régime transitoire : temps total 1 s - incrément 0,1 s (fig 1 en pièce jointe)

B - Je fais le chargement thermique sur la sphère : 500°C (fig 2 en pièce jointe)

C – Je poursuis avec le rayonnement : radiation - émissivité à 1 - Température ambiante 0°C (fig 3 en pièce jointe) – à noter que SW me domande le facteur de vue (=1)… Un peu bizarre quand même...mais pourquoi pas.

D - Je lance le calcul sur les 10 pas pour 1mn 20s de calcul.

E - Lecture des résultats sur la puissance : 1er incrément : 17770 W (bien loin des 22540 W théoriques) – fig 4

F – lecture des températures : 716 K max toujours au premier incrément. loin des 773 K initiaux... fig 5
G – De plus 17770 W correspondent à T sphère = 729 K au dessus du max et sur la figure 5 on a des températures K négatives….

Par contre une chose est sûre : çà cloche !!

Si certains parmi vous, savent où se trouve l’erreur ou les erreurs. Je n’ai pas vu de tuto détaillé à ce sujet.
Les tutos en anglais ne me gêne pas mais les vidéos en anglais, c’est plus dur à suivre pour ma part...

Si quelqu’un peut me dire où se trouve l(es)’erreur(s) sur ce problème simple, je lui adresse un grand merci.
Précision : j'ai SW 2017.

Bonne soirée à tous !
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[RomVi]

Bonjour

Il n'y a probablement pas d'erreur. Simplement une sphère en acier ne va pas se refroidir uniformément.
Par ailleurs il faut être sur que l'émissivité a bien été forcé à 1, car ton résultat laisse suggérer la vraie valeur de l'acier.
Enfin tout dépend de la façon dont tu as fait ton maillage.

[Phil27]

Bonjour RomVi, bonjour à toutes et à tous,

S'il n'y a pas d'erreur, c'est gênant d'avoir un tel décalage entre théorie et simulation.
Normalement rien n'empêche d'avoir une sphère d'acier peinte en noir mat pour avoir l'émissivité à 1.

Il n'y a pas la valeur de l'émissivité de l'acier utilisé dans les propriétés du matériau lorsque j'affecte le matériau à la sphère. C'est assez logique s'il est poli ou brut, ça change pas mal... Les propriétés du matériau recèlent le Cp et le lamda de la conductivité thermique par contre.

Je vais tenter de trouver un matériau à l'émissivité proche de 1 pour vérifier le forçage à 1 de l'émissivité... sait-on jamais...

A plus, je vous tiens au courant...

Phil27

[RomVi]

Dans ce cas ça peut venir de ce phénomène de conductivité ; ici c'est la théorie qui pèche vu que tu considères que la température est homogène dans la masse (ce qui est impossible)
Essaye de faire une simulation en régime permanent en forçant la température de surface, et regarde la puissance émise.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Phil27]

Re-bonjour,
Bonne intuition RomVi !!!!
Cà avance ! J'ai remplacé la sphère en acier par du béton (émissivité du béton 0,90). Et là, les résultats collent. La simulation donne 20390 W pour 22540W en corps noir. Avec une émissivité de 0,9, çà colle pile poil !!
Maintenant il faut en déduire que l'émissivité renseignée sur la figure 3, c'est celle du milieu ambiant. J'ai fais le test avec 0,50 en émissivité du milieu extérieur, et la çà colle toujours au niveau de la puissance nette transmise : 2 fois moins évidemment.
Il me reste à trouver ou est renseignée l'émissivité des matériaux dans SW (pour avoir un oeil dessus quand même) et à vérifier le pourquoi des températures Kelvin négatives...
Je reviens,
Phil27

[RomVi]

Je n'ai plus solidworks d'installé sur mon ordi, mais de mémoire tu peux éditer toutes les propriétés directement dans les matériaux.

[Phil27]

Re-re bonjour,
Ah oui tout à fait RomVi ! La surface de la sphère se refroidit plus vite que le coeur, la température ne peut pas être homogène dans la sphère même avec la conductivité thermique élevée de l'acier. Donc mon calcul de DeltaT du premier post n'est pas du tout envisageable.
Je regarde un peu ce que donne T(r) température ne fonction du rayon de la sphère...
Je reviens,
Phil27

[Phil27]

Je regarde aussi dans les propriétés des matériaux mais ailleurs que dans la section étude thermique...

[RomVi]

Oui c'est bien ça.
Si tu ne t'en sors pas je le réinstallerai pour regarder.

[Phil27]

Bonsoir à tous,

Bonsoir RomVi
Je crois que je tiens le bon bout !!
D'un côté le problème de l'émissivité est réglée. SW prends la valeur de l'émissivité du matériau choisi : de ce côté là je n'ai pas trouvé quelle valeur le logiciel prend, et comme je disais dans un post précédent, j'aime bien avoir l'oeil dessus. On verra à l'usage.
De l'autre je n'ai pas posté le T(r) obtenu température en fonction du rayon car c'était délirant avec des Températures Kelvin négatives...

J'ai trouvé sur un site SW d'où venais ce problème. C'est en anglais, mais j'ai compris qu'en appliquant à la surface une température de 500 °C, dans le coeur de la sphère ce n'est pas le cas : c'est la température de référence à contrainte nulle (encore une température que je n'ai pas pu consulter dans un des nombreux menus de SW). En posant à la surface une condition de 500°C, on a un fort gradient de température etc explique le document... Normal. Ensuite j'ai trouvé une solution donnée par le document ! C'est très simple !!!
C'est de remplacer le fichier pièce par un fichier d'assemblage (assemblage avec une seule pièce mais peu importe) et de la j'applique les 500°C au composant sphère et non à la surface. Cette fois les 500°C sont dans toute la sphère au temps initial.
J'ai relancé le calcul sur un temps de 600 s avec un incrément tous les 60s et j'ai obtenu quelque chose de cohérent en pièce jointe !

Qu'en penses tu RomVi? Ca m'a l'air cohérent cette fois...

Bon dès que j'ai un peu de temps, je procède à plus compliqué pour trouver des facteurs de formes en dehors des abaques classiques.

[RomVi]

Oui, il faut initialiser la température, c'est la valeur que la pièce prendra à t=0. Tu peux le faire directement.
Tu peux aussi faire une 1ere simu pour initialiser le champ de température, c’est particulièrement utile quand celle ci n'est pas homogène en début de simulation.

[Phil27]

Bonjour,
Je fais plusieurs simulations, pour définir les facteurs de forme en rayonnement. Je donnerai mes résultats ce week end pour clôturer ce sujet.
A très bientôt,
Phil 27

[Phil27]

Bonjour à tous,

Je reviens vers vous pour vous faire partager ce que j’ai pu faire avec la simulation thermique de SolidWorks...
L’objectif est d’estimer un facteur de forme à partir de la simulation.
J’ai repris le cas de 2 disques en vis à vis : rayon 500mm et distance 500 mm.
On retrouve facilement le calcul théorique sur le net du facteur de forme f₁₂ dans ce cas précis : f₁₂=0,381966…
La capture 1 en pièce jointe montre un résultat après calcul de SW. Deux disques en acier à la géométrie définie ci-dessus. Faire un fichier assemblage des deux disques.
L’étude se fait en régime transitoire (je verrais plus tard en permanent) sur un temps total d’une seconde avec 10 pas (par défaut).

Le chargement en Température se fait de la façon suivante (capture 2) :
- Choisir température initiale puisqu’on est en transitoire. T =1000K.
- sélectionner le composant disque (et non la surface supérieure) 'Disque d=1000-1@Disque-disque' doit apparaître dans la fenêtre. Cela a pour effet d’imposer la température à tout l'ensemble du disque et non à se limiter à sa surface supérieure. (première erreur que j’ai faite au début du post).

Le chargement en Température se fait de la même façon pour le second disque à T = 500K.

Pour finir, le chargement en radiation se fait de la façon suivante (capture 3)
Sélectionner surface à surface et sous la fenêtre ne pas cocher ‘système ouvert’. Système ouvert prend en compte l’environnement ambiant.
La valeur de l’émissivité est celle de la surface des disques. Elle ne dépend pas du choix des matériaux. Je n’ai pas trouvé de valeur d'émissivité pour les matériaux dans SolidWorks ce qui explique qu’il faille les indiquer dans le chargement radiatif.
Pour une estimation de facteur de forme j’ai pris 1 comme émissivité des deux surfaces. Si les deux surfaces avaient des valeurs d’émissivité différentes, je suppose qu’il faille indiquer deux chargement radiatifs, un pour chaque surface en vis à vis.
Sélectionner les surfaces en vis à vis.

Résultats :
Suivant les maillages, j’ai obtenu :
Pour un maillage grossier : flux = 15438 W soit f₁₂ = 0,36978…
Pour un maillage moyen : flux = 15569 W soit f₁₂ = 0,37292…
Pour un maillage fin : flux = 15622 W soit f₁₂ = 0,37419…
La théorie prévoit 15948 W pour f12 = 0,381966…
Au pire 3,2 % d’erreur avec un maillage grossier... pas mal non ??

Bonne continuation à toutes et à tous !
Phil27