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ANSYS12.0Workbench热分析教程-第5章 ANSYS12.0热分析

admin Ansys-Fluent 2013-08-07 22:44:00
第5章 ANSYS12.0热分析 
5.1  ANSYS12.0热分析概述 
传热即热量传递,凡是有温度差存在的地方,必然有热的传递,传热是极为普遍的一种能量传递过程。如:物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程;设备和管道的保温,以减少热损失;生产中热能的合理利用,废热回收。 
5.1.1  传热基本方式 
热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时,根据热力学第二定律,热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分, 根据传热机理的不同,传热的基本方式有热传导、对流和辐射三种。 
1. 热传导 
1) 基本概念:当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异时,物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称热传导。热能就从物体的较高部分传给温度较低的部分或从一个温度较高的物体传递给直接接触的温度较低的物体。 
2) 特点:物体各个部分不发生宏观的相对位移。导电固体中,导热起主要作用的是自由电子的扩散运动;非导电固体和大部分的液体中,导热是通过振动能从一个分子传递到另一个分子;在气体中,导热则是由于分子的不规则运动而引起的。 
3) 热传导基本规律(傅立叶定律)      Q=?λAdTdn     (5-1) 
 
式中:Q为热流量,表示单位时间内通过某一给定面积的热量,单位w; dt/dn为温度梯度,单位℃/m;A为导热面积,单位m2;λ为材料的导热系数,单位 w/(m ℃) 
导热系数是物质的一种物理性质,表示物质的导热能力的大小,导热系数值越大,物质的导热性能越好。导热系数只能实际测定。一般,金属的导热系数最大,非金属的固体次之,液体的较小,而气体的最小 
傅立叶定律表示:在单位时间热传导的方式传递的热量与垂直于热流的截面积成正比,与温度梯度成正比。负号表示导热方向与温度梯度方向相反。 
2. 对流 
1) 基本概念:是指由于流体的宏观运动,从而使流体各部分之间发生相对位移,冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中,对流的同时必伴随有导热现象。 
2) 对流换热:流体流过一个物体表面时的热量传递过程,称为对流换 
3) 对流换热的分类:根据对流换热时是否发生相变分:有相变的对流换热和无相变的对流换热。根据引起流动的原因分:自然对流和强制对流。 
自然对流:由于流体冷热各部分的密度不同而引起流体的流动。如:暖气片表面附近受热空气的向上流动。 
 
强制对流:流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的。 
沸腾换热及凝结换热:液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热,称为沸腾换热及凝结换热(相变对流换热)。 
4) 对流传热的分析 
滞流内层:流体呈滞流流动,沿壁面法向没有质点的移动和混合,即无对流传热,传热方式仅是热传导。因为液体导热系数小,因此热阻较大,温度梯度大。 
缓冲层:流动介于滞流和湍流之间,热传导和对流传热同时起作用,热阻较小。 
湍流主体:质点剧烈运动,完全混合,温度基本均匀,无温度梯度。 
 
因此,对流传热的热阻主要集中在滞流内层,减薄其厚度是强化传热过程的关键。 
4) 对流换热的基本规律(牛顿冷却公式) 
其中ts及tf分别为表面温度和流体温度;h为对流换热系数,表示单位温差作用下通过单位面积的热流量,对流换热系数越大,传热越剧烈,单位w/m2?C。 
对流换热系数的大小与传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于物体的物性、换热表面的形状、大小相对位置,而且与流体的流速有关。一般地,就介质而言:水的对流换热比空气强烈;就换热方式而言:有相变的强于无相变的;强制对流强于自然对流。对流换热研究的基本任务是用理论分析或实验的方法推出各种场合下表面对流换热系数的关系式。 
3. 辐射 
1) 辐射和热辐射:物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。 
2) 辐射换热:辐射与吸收过程的综合作用造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递称辐射换热。自然界中的物体都在不停的向空间发出热辐射,同时又不断的吸收其它物体发出的辐射热。辐射换热是一个动态过程,当物体与周围环境温度处于热平衡时,辐射换热量为零,但辐射与吸收过程仍在不停的进行,只是辐射热与吸收热相等。 
 
3)热辐射的基本规律:所谓绝对黑体:把吸收率等于1的物体称黑体,是一种假想的理想物体。黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中是最大的,而且辐射热量服从于斯忒藩—玻耳兹曼定律。 
实际物体辐射热流量根据斯忒潘——玻耳兹曼定律求得:=4              (5-3) 
其中T为黑体的热力学温度K(开尔文Kelvin,0°C=绝对温度273.16 K);为斯忒潘—玻耳兹曼常数(黑体辐射常数),5.67*10-8w/m2*k4;A为辐射表面积m 2。其中Q为物体自身向外辐射的热流量,而不是辐射换热量;为物体的发射率(黑度),其大小与物体的种类及表面状态有关。?1 
物体温度越高,单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质,而热辐射无须任何介质。实质上,在真空中的热辐射效率最高。 
在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射,系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬—波尔兹曼方程来计算: 
=11F12(T14?24)       (5-4) 
式中 Q 为热流率,?1为该物体辐射率(黑度),?为斯蒂芬-波尔兹曼常数,A1为辐射面1的面积,F12 为由辐射面1到辐射面2的形状系数,T1为辐射面1的绝对温度,T2为辐射面2的绝对温度。  
由上式可以看出,包含热辐射的热分析是高度非线性的。 
4. 导热、对流、辐射的评述 
 
① 导热、对流两种热量传递方式,只在有物质存在的条件下,才能实现,而热辐射不需中间介质,可以在真空中传递,而且在真空中辐射能的传递最有效。 
② 在辐射换热过程中,不仅有能量的转换,而且伴随有能量形式的转化。 
在辐射时,辐射体内热能→辐射能;在吸收时,辐射能→受射体内热能,因此,辐射换热过程是一种能量互变过程。 
③ 辐射换热是一种双向热流同时存在的换热过程,即不仅高温物体向低温物体辐射热能,而且低温物体向高温物体辐射热能, 
④ 辐射换热不需要中间介质,在真空中即可进行,而且在真空中辐射能的传递最有效。因此,又称其为非接触性传热。 
⑤ 热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏观表象。 
⑥ 物体的辐射能力与其温度性质有关。这是热辐射区别于导热,对流的基本特点。 
5.1.2  传热过程 
传递热量的基本方式:导热、对流、热辐射,由这三个基本方式组成不同的传热过程。如: 
暖气:热水管子内壁管子外壁室内环境 
冷凝器:蒸汽管子外壁管子内壁水 
分析一个实际传热过程的目的,就是分析该过程由哪些串联环节组成。以及每一环节中有哪些传热方式起主要作用,它是解决实际传热的核心基础。 
上述分析导热、对流、热辐射的基本定律,即傅里叶定律、牛顿冷却公式、斯忒藩—玻耳兹曼定律,适用于稳态和瞬态传热过程,若是瞬态时公式中的温度是瞬时温度,温度T不仅仅是坐标的函数,而且与时间有关。 
5.1.3  稳态传热和瞬态传热 
1. 稳态传热: 
 
传热系统中各点的温度仅随位置的变化而变化,不随时间变化而变化。特点:单位时间通过传热面额定热量是一个常量。 
如果系统的净流为零,即流入体统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量: 
Q流入+  Q生成-  Q流出=0   (5-5) 
则系统热稳态。稳态热分析的能量平衡方程以矩阵形式表示为: 
   [K]{T}={Q}      (5-6) 
[K]为热传导矩阵,包含热系数、对流系数及辐射和形状系数 ;{T} 为节点温度向量;{Q}为节点热流率向量,包括热生成;ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件,生成[K]{T}及{Q}。 
2. 瞬态传热: 
 
瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能不仅随位置不同而不同,而且随时间发生变化。 
根据能量守恒原理,瞬态热平衡可以表达为(以矩阵形式表示): 
(5-7) 
式中:[K]为热传导矩阵,包含热系数、对流系数及辐射和形状系数;[C]为比热矩阵,考虑系统内能的增加;{T}]为节点温度向量;*T+?为温度对时间的导数;{Q}为节点热流率向量,包括热生成。  
连续生产过程中所进行的传热多为稳态传热。在间歇操作中的换热设备中或连续操作的换热设备处于开、停车阶段所进行的传热,都属于瞬态传热。 
5.1.4  线性与非线性 
如果满足下列条件,则为非线性热分析: 
1. 材料热性能随温度变化,如K(T),C(T)等; 
2. 边界条件随温度变化,如h(T)等; 
3. 含有非线性单元; 
4. 考虑辐射传热; 
 
非线性热分析的热平衡方程为: 
    (5-8) 
5.1.5  符号与单位 
ANSYS热分析中常用的符号及单位表达见表5-1。 
 
 
表5-1  热分析符号及单位 
名称 国际单位 英制单位 ANSYS  
长度L m ft Length  
时间t s s Time  
质量m Kg lbm Mass  
温度T ℃ oF Temperature 
力F N lbf Force  
能量(热量)J J BTU Joule  
功率(热流率)Q W BTU/sec Heat Flow 
热流密度q W/m2  BTU/sec-ft2  Heat  Flux 
生热速率qW/m3  BTU/sec-ft3  Internal Heat Generation 
导热系数W/m-℃ BTU/sec-ft-oF Thermal Conductivity 
对流系数h W/m2-℃ BTU/sec-ft2-oF Film Coefficient   
密度Kg/m3  lbm/ft3  Density 
比热c J/Kg-℃ BTU/lbm-oF Specific Heat 
焓H J/m3  BTU/ft3  Enthalpy 
 
5.1.6  材料属性 
稳态热分析中,必须定义热传导系数。热传导系数可以是各向同性或各向异性,是常量或与温度相关  
瞬态热分析中,必须定义热传导系数、密度和比热。热传导系数可以是各向同性或各向异性,所有属性可以是常量或与温度相关  
5.1.7  几何模型 
在热分析中,可以支持大多数体类型。对于线体,仅能得到温度结果,热分析不支持点质量,对于线体,不考虑截面厚度上的温度变化。线用于类似梁或桁架的结构,此时可认为其截面上的温度是常量。沿着线方向的温度变化仍然要考虑, 但不是沿着截面的。  
 对于壳,不考虑沿壳厚度方向的温度梯度。壳体应用于较薄的结构,假设壳的上下表面温度相等。表面的温度变化仍然要考虑,但不是厚度方向的。 
5.1.8  接触 
当导入实体零件组成的装配体时,实体间的接触区将会被自动创建。面与面或面与边接触允许实体零件间的边界上不匹配的网格。  
 每个接触区都用到接触面和目标面的概念。 接触区的一侧由接触面组成,另一侧由目
标面组成。当一侧为接触面而另一侧为目标面时,称为反对称接触。另一方面,如果两侧都被指定成接触面或目标面,则称为对称接触。 在热分析中,指定哪一侧是接触面,哪一侧是目标面并不重要。在接触的法向上允许有接触面和目标面间的热流。接触实现了装配体中零件间的传热。 
热量在接触区内沿着接触法向流动,不管接触区定义如何,只要接触法向上有接触单元,热量就会流动。 在接触面与目标界面中,不考虑热量的扩散。 在壳或实体单元内的接触面或目标面上,由于傅立叶定律,需考虑热量扩散。  
 如果零件初始有接触,零件间就会发生传热,如果零件初始不接触,零件间将不会互相传热。 不同的接触类型,热量是否会在接触面和目标面间传递可以参见表5-2。 
表5-2  接触区传热 
接触类型 接触区传热否  
初始接触  弹球区内  弹球区外  
绑定、不分离  是  是  否  
粗糙、无摩擦、摩擦  是  否  否  
 
接触的弹球【Pinball】区域自动设置为一个相对较小的值,以调和模型中可能出现的小间隙。对基于【MPC】的绑定接触,如果存在间隙,在搜索方向可使用弹球区以检测间隙外的接触,见图5-1。【MPC】算法产生完全传热。对包含壳面或实体边的接触,只能设置为绑定或不分离类型。包含壳面接触,只允许使用【MPC】算法的绑定接触行为。点焊为连接的壳装配体在离散点处传热提供了一种方法,见图5-2。 
 
 
 
图5-1 接触弹球区域 
图5-2 点焊接触 
接触温差  
 
缺省时,在装配体的零件间会定义一个高的接触导热系数TCC,两个零件间的热流量由接触热通量q定义:   
        q=Tcc(Tt-Tc)   (5-9) 
这里,Tc是位于接触法向上某接触“节点”的温度,Tt是相应的目标“节点”的温度。 
 缺省时,TCC根据设定的接触模型中的最大热传导系数?max值和装配体总体外边界的对角线Diag,被设为一个相对较“高”的值,即TCC=?max*10000/Diag,这最终提供了零件间完全的传热。 
图5-3 接触温差 
理想的零件间的接触传热系数假定在接触界面上没有温度降。接触热阻使接触的两个表面在穿过界面上有温度降,见图5-3,这种温差是由两表面间的不良接触产生,由此产生有限热传导, 受到影响因素包括: 表面的平面度、 表面磨光、氧化物、 残存流体、 接触压力、 表面温度、 导热脂的使用等。 
可以定义接触传热系数TCC考虑接触热阻的影响,每个接触区在详细信息窗口中输入单位面积的接触传热系数,用接触面积除以接触热阻,可得到TCC值,这样,接触区域的接触面和目标面间就会产生温度降。 
5.1.9  分析设置 
对简单线性行为无需设置,对复杂分析则需要设置一些控制选项,设置命令见表5-3。 
表5-3:分析设置命令说明 
 分析设置命令说明 
步长控制 
  时步数;1(默认) 
  当前时步:1(默认) 
  时步结束时间:1s(默认) 
  自动时间步设置:程序控制(默认) 
求解控制 
  求解类型:程序控制(默认) 
非线性控制 
  热收敛准则; 程序控制(默认) 
  温度收敛准则; 程序控制(默认) 
  线性搜索:程序控制(默认) 
输出控制: 
  是否计算热通量:是(默认) 
  计算结果输出:在所有时间点(默认) 
分析数据管理 
求解器工作路径; 
  后续分析类型:无(默认) 
  获取求解文件: 
  是否保存ANSYS DB文件:否(默认) 
  是否删除不需要的文件:是(默认) 
  是否非线性求解:否(默认) 
  求解器单位:当前活动系统(默认) 
  求解器单位系统:nks(默认) 
可视化 
  对流(对流换热系数):显示 
  温度:显示 
 
1. 步长控制【Step Controls】 
 
非线性热分析时,步长控制用于控制时间步长,步长控制也用于创建多载荷步。 
2. 求解器控制【Solver Controls】 
 
求解器控制中直接法【Direct】和迭代法【Iterative】两种求解器可以使用,求解器是自动选取的。【Solver Type】下设置默认选项,直接求解器【Direct】在包含薄面和细长体的模型中是有用的。它是个很有力的求解器并且可以处理任何情况。迭代求解器【Iteritive】在处理体积大的模型是十分有效的。尽管它对梁和壳来说不是很有效,但是可以很好的处理大的模型。 
3. 非线性控制【Nonlinear Controls】 
 
非线性控制可以修改收敛准则和其他的一些求解控制选项。只要运算满足收敛判据,程序就认为收敛,收敛判据可以基于温度、也可以是热流率,或二者都有。 
在实际定义时,需要说明一个典型值【Value】和收敛容差【Tolerance】,程序将二者的乘积值视为收敛判据。例如,如说明温度的典型值为500,容差为0.001,那么收敛判据则为0.5度。对于温度,ANSYS将连续两次平衡迭代之间节点上温度的变化量与收敛准则进行比较来判断是否收敛。如果在某两次平衡迭代间,每个节点的温度变化都小于0.5度,则收敛。 
对于热流率,ANSYS比较不平衡载荷矢量与收敛标准。不平衡载荷矢量表示所施加的热流与内部计算热流率之间的差值。ANSYS【Value】值由缺省确定,收敛容差为0.5%。 
线性搜索【Line Search】选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索。 
4. 输出控制【Output Controls】 
 
输出控制允许在结果后处理中得到需要的时间点结果,尤其在非线性分析中,中间载荷的结果是很重要的。 
5. 分析数据管理【Analysis Data Management】 
 
分析数据管理保存稳态热分析结果文件用于其他的分析系统。如稳态热分析的结果作为瞬态分析的初始条件,因此可以将稳态热分析结果随后的分析【Future Analysis】设置为瞬态热分析【Transient Thermal】用于后面的瞬态热分析。 
5.1.10  载荷与边界条件 
Workbench 热分析的载荷与边界条件如下: 
1) 温度【Temperature】 
2) 对流【Convection】 
3) 辐射【Radiation】 
4) 热流率【Heat Flow】 
5) 完全绝热【Perfectly Insulated】 
6) 热流密度【Heat Flux】 
 
7) 内部热生成【Internal Heat  Generation】 
8) CFD导入温度【CFD Imported Temperature】 
9) CFD 导入对流【CFD Imported Convection】  
 
载荷与边界条件可以直接在实体模型(点、线、面、体)施加,可以是单值的,也可以是用表格或函数的方式来定义复杂的热载荷。  
1. 恒定温度【Temperature】 
 
通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。用于3D分析和2D平面应力及轴对称分析,如图5-4。 
 
图5-4 恒定温度 
2. 对流【Convection】 
 
用于3D分析和2D平面应力及轴对称分析 ,对流通过与流体接触面发生对流换热,只能施加到表面上, 对流使“环境温度”与表面温度相关。 
 
图5-5 对流 
q=QA=h(Ts?Tf)        (5-10) 
对流热通量q 与对流换热系数h、表面积A、表面温度Ts及环境温度Tf有关,如图5-5。 对流换热系数h 可以是常量或温度的变量,与温度相关的对流条件。 
1) 首先确定h(T) 使用什么样的温度,温度可以是:  
(1) 平均膜温度【Average Film Temperature】:T=(Ts+Tf)/2 
(2) 表面温度【Surface Temperature】:T= Ts    
(3) 环境温度【Bulk Temperature】:T= Tf 
(4) 表面与环境温度差【Difference of Surface and Bulk Temperature】:T=Ts-Tf  
2) 对流详细信息窗口中选择【Film Coefficient】-【Tabular(Temperature)】 
 
3) 在出现的表数据【Tabular Data】中输入温度和对于的对流换热系数,见图5-6。 
 
 
图5-6  输入变量对流换热系数 
3. 辐射【Radiation】  
 
 施加到3D表面或2D模型的边, 仅提供向周围环境的辐射(不包括两个面之间的相互辐射)。即 形状系数假定为F12=1; 
=11F12(T14?24) (5-11) 
其中 斯蒂芬-波尔兹曼常数?为定值,并且自动由采用的单位制决定;辐射属性中设置热辐射率(黑度)?1 ,环境温度T2 。 
4. 热流率Q【Heat  Flow】  
 
指单位时间内通过传热面的热量。整个换热器的传热速率表征换热器的生产能力,单位为w 。热流率作为节点集中载荷,可以施加点、边、面上,这对线体模型通常不能直接施加对流和热流密度载荷,则很方便。如果输入的值为正,表示热流流入节点,即获取热量。  
 
图5-7 热流率 
提示:如果在实体单元的某一节点上施加热流率,则此节点周围的单元应该密一些;特别是与该节点相连的单元的导热系数差别很大时,尤其要注意,不然可能会得到异常的温度值。因此,只要有可能,都应该使用热生成或热流密度边界条件,这些热荷载即使是在网格较为粗糙的时候都能得到较好的结果。 
5. 完全绝热【Perfectly Insulated】  
 
用于3D分析和2D平面应力及轴对称分析,完全绝热条件施加到表面上, 可认为是零热流率加载,在热分析中,当不施加任何载荷时,它实际上是自然产生的边界条件。 
 通常,不需要给面上施加完全绝热条件,因为这是一个规则表面的默认状态。 因此,这种加载通常用于删除某个特定面上的载荷。例如,可以先在所有面上施加热通量或对流,然后用完全绝热条件选择性地“删除”某些面上的载荷(比如与其它零件相接触的面等),此时要方便简单得多。 
6. 热通量q(热流密度【Heat  Flux】) 
 
指单位时间内通过单位传热面积所传递的热量,q=Q/A。在一定的热流量下,q越大,所需的传热面积越小。因此,热通量是反映传热强度的指标,又称为热流密度,单位为w/m2,见图5-8。 
 
图5-8 热通量 
热流密度也是一种面载荷。用于3D分析和2D平面应力及轴对称分析,当通过单位面积的热流率已知,可以在模型相应的外表面施加一致热流密度。如果输入的值为正,表示热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。 
7. 内部热生成【Internal Heat Generation】 
 
用于3D分析和2D平面应力及轴对称分析,内部热生成作为体载只能施加到体上,可以模拟单元内的热生成,比如化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率(w/m3)。正的热负荷值将会向系统中添加能量。而且,如果有多个载荷存在,其效果是累加的。 
8. 小结 
1) 热载荷:一般往系统中输入能量,热负荷可以用已知的热流率或单位面积/体积上的热流率输入。 
2) 热边界条件:热边界条件呈现为一个已知的局部或“偏远”的温度条件。作用如同已知温度条件下的热源或汇,可以是确定的温度或已知环境温度下的对流、辐射,完全绝热为自然边界条件 。 
3) 至少应存在一种热边界条件如温度、对流或辐射,否则,如果热量源源不断地输入到系统中,稳态时的温度将会达到无穷大。 
4) 给定的温度或对流不能施加到已经施加了某种热载荷或热边界条件的表面上。 如果施加到已经承受热载荷的实体上,温度边界条件将忽略, 完全绝热条件将忽略其它的热边界条件。 
5) 提供一些结构分析与热分析的类比见表5-4。 
 
  
表5-4 结构与热分析载荷和约束类比 
名称 作用方式 结构 热 
自然条件  无外力 完全绝热 
边界条件 直接 给定位移 给定温度 
间接 弹性支撑 对流/辐射 
载荷 直接 力 热流率 
单位面积 压力 热通量 
单位体积 温度 内部热生成 
惯性载荷 整体 加速度,旋转速度  
 
旋转速度、加速度之类的惯性载荷,没有类比,对流边界条件的类比是一个结构分析中的“基础刚度”支撑, 类似于接地弹簧。 
5.1.11  结果与后处理 
热分析中可得到各种结果用于后处理,如温度、热通量、 “反作用” 热流率等。一般在求解之前定义需要的结果,也可以在求解之后增加需要结果,此时不需要进行新的求解。  
1. 温度场的云图显示:  
 
 温度是求解的自由度,且是最基本的输出,温度是标量,因此没有与之相关的方向。如图5-9。 
 
图5-9 温度的云图显示 
2. 热通量云图或矢量显示: 
 
 热通量q 定义为:q=?λdTdn ,热通量与温度梯度有关,【Total Heat Flux】热通量云图显示大小, 热通量矢量显示大小和方向,可以看到热量是如何流动的,见图5-10。 
 
图5-10 热通量云图和矢量显示 
热通量输出有三个分量,热通量的分量可以用【Directional Heat Flux】,并可映射到任意坐标系下。 
3. 反作用的热流率 
 
给定的温度和对流都能直接或非直接地补充一个已知的温度, 它就相当于一个热源/汇,流入(正)或流出(负)量就可以输出。 对每个单独的给定温度或对流载荷,反作用热流率 【Reaction Probe】 会在求解之后在“Details “ 明细窗口中输出。见图5-11。 
 
图5-11 反作用的热流率 
5.2  ANSYS12.0  Steady-State Thermal稳态热分析 
5.2.1  ANSYS12.0 稳态热分析概述 
对于一个稳态热分析, 温度{T} 是由如下的矩阵求解:[K]{T}={Q} 
[K]为热传导矩阵,{Q}为热流量矩阵,包括如下假设: 
1. 稳态热分析基于热传导方程,不考虑任何时间相关的瞬态效应。 
2. 可以分析线性行为(材料属性为常量)或非线性行为(材料属性与温度相关),也就是说,[K] 可以是常量或是温度的函数;每种材料属性中都可输入温度相关的热传导率;{Q} 也可是常量或是温度的函数;在对流边界条件中可以输入温度相关的对流传热系数。 
3. 固体内部的热传导(傅立叶定律)是[K]的基础。 
 
4. 载荷和约束包括热生成、热通量、热流率、对流及辐射;虽然对流换热系数有可能与温度相关,但对流被处理成简单的边界条件,如果需要分析共轭传热/流动问题,则需要用流体分析ANSYS CFX 或 ANSYS FLUENT。 
5. 稳态热分析通常用于建立瞬态热分析的初始条件,也可以作为瞬态热分析的最后一步,即模拟瞬态传热效应完全消失后的状态。 
 
5.2.2  ANSYS12.0稳态热分析方法 
1. 工具箱中将稳态热分析系统【Steady-State Thermal】拖入工程图解。 
2. 定义工程数据【Engineering Data】:必须定义热传导系数,热传导系数可以是各向同性或各向异性,是常量或与温度相关。 
3. 导入几何模型。 
4. 定义零件行为。 
5. 定义联接关系。热分析中仅考虑接触,任何关节和弹簧将被忽略。热分析中初始接触条件始终保持不变,默认条件下,热传导完全通过无间隙接触面,如果考虑接触热阻,可以手工输入热传导值。 
6. 应用网格控制划分网格:如果热分析用于随后的结构分析,则需要足够精细的网格密度。 
7. 建立分析设置: 
1) 步长控制【Step Controls】用于非线性分析设置小的增量步,或用于多载荷步的分析设置。时间选项【Step End Time】定义载荷步的结束时间,虽然对于稳态热分析来说,时间选项并没有实际的物理意义,但它提供了一个方便的设置载荷步和载荷子步的方法。缺省情况下,第一个荷载步结束的时间是1.0,此后的荷载步对应的时间强逐次加1.0。【Define by】可以按照步数或按照时间定义载荷子步,对于非线性分析,每一载荷步需要多个子步。缺省情况下每个荷载步有一个子步。 
2) 输出控制【Output Controls】定义后处理所需要的输出值,非线性分析中往往需要获得中间结果。 
3) 非线性控制【Nonlinear Controls】可以修改收敛准则和求解控制。 
4) 分析数据管理【Analysis Data Management】保存结果文件用于其它分析类型。 
8. 定义初始条件:可以定义各个节点相同的初始温度,用于非线性求解中的第一次迭代,或作为常温载荷的起始温度。 
9. 应用热载荷及边界条件:包括温度、对流、辐射、热流率、完全绝热、热通量、内部热生成、CFD导入的温度及对流。载荷及边界可以表示为常量或输入表格形式的变量或函数表达式。 
10. 求解:求解信息【Solution Information】监测求解过程,可以插入结果跟踪工具【Result Tracker】监测设定位置的温度变化。 
11. 显示结果:包括云图显示、动画显示、探测点显示及图表显示所有的热结果类型。 
 
5.2.3  ANSYS12.0稳态热分析案例—短圆柱体的热传导 
5.2.3.1  问题描述 
短圆柱体,直径和长度均为1m, 上方施加100 ℃的温度载荷,下端面和侧面温度为0 ℃ ,求圆柱体内部温度场的分布。(假设圆柱体和外界无热交换)。材料的热传导系数为30w/m.℃。见图5-12。 
 
图5-12 短圆柱体 
5.2.3.2  问题分析 
属于稳态热传导问题,由于几何结构,载荷及边界条件对称,取圆柱体1/4分析。分析方法如下: 
1) 选择稳态热分析系统 
2) 确定材料参数:稳态热传导问题,仅输入热传导系数 
3) 【DesignMdoler】建立几何模型:考虑对称性,建立1/4圆柱体 
4) 进入【Mechanical】分析程序 
5) 网格划分:采用系统默认网格 
6) 施加边界条件:圆柱体对称面无热量交换,为绝热边界,系统默认无需输入。圆柱体其它外表面输入温度。 
7) 设置需要的结果:温度分布 
8) 求解及结果显示 
 
5.2.3.3  数值模拟过程 
1、选择稳态热分析系统(图5-13) 
1) 工程图解中调入稳态热分析系统Steady-State Thermal(ANSYS) 
2) 工程命名Cylinder Thermal conduction 
3) 保存工程名为Steady-State Thermal(cylinder)见图5-13。 
 
 
图5-13 调入稳态热分析 
2、确定材料参数(图5-14-图5-15) 
1) 编辑工程数据模型,添加材料的热传导率,右击鼠标选择【Engineering Data】?【Edit】见图5-14 
 
 
图5-14 编辑工程数据模型 
2) 工程数据属性中增加新材料:【Outline of Schematic A2:Engineering Data】?【Click here to add new material】输入材料名称steel. 
3) 选择【Thermal】?【Isotropic Thermal Conductivity】 
4) 选择钢材料属性【Properties of Outline Row 3: steel】?【Isotropic Thermal Conductivity】 
5) 出现【Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity】材料属性表,双击鼠标,点击每个区域输入材料属性参数:温度22?C,热传导率30w/m.℃。 
6) 参数输完后,工程数据表显示热传导率-温度图表。见图5-15 
 
 
图5-15 输入材料参数 
3、DM建立几何模型(图5-16) 
1) 选择【Geometry】-【New Geometry】,出现esignModeler】程序窗口,选择尺寸单位【Meter】。 
2) 【DesignModeler】中在工作平面XYPlane创建圆柱体截面草图。 
(1) 选择【Sketching】 
(2) 选择【Draw】?【Rectangle】 
(3) 在图形区坐标原点处点击鼠标左键,拖放鼠标画矩形。 
(4) 选择尺寸标注【Dimensions】 
(5) 图形区中选择矩形边线,拖放鼠标显示水平尺寸H1,垂直尺寸V2. 
(6) 设置尺寸【Details View】?【Dimensions】?【H1】=120mm,V2=50mm。 
 
 
图5-16 创建草图 
3) 草图选择生成1/4圆柱体(图5-17) 
1) 选择【Modeling】模式 
2) 选择矩形草图【XYPlane】?【Sketch1】 
3) 工具栏中选择旋转命令【Revolve】 
4) 选择旋转轴:图形区点击Y轴 
5) 确认旋转轴:【Details View】?【Details of Revolve1】?【Axis】=Apply 
6) 设置旋转角度:【Details View】?【Details of Revolve1】?【FD1,Angle】=90
7) 生成实体:选择【Generate】。 
 
 
图5-17 生成实体 
4、 进入【Mechanical】分析程序 
 
切换回Workbench窗口,选择【Setup】?【Edit】,进入【Mechanical】分析环境。 
5、网格划分(图5-18) 
1) 选择【Mesh】?【Generate Mesh】 
2) 图形区显示程序自动生成的网格模型。 
 
 
图5-18 网格划分 
6、施加边界条件 
施加上表面温度100?C:(图5-19) 
1) 选择【Steady-State Thermal(A5)】 
2) 工具栏中选择【Temperature】 
3) 图形区选取上表面 
4) 确认选择:【Details of “Temperature”】?【Scope】?【Geometry】=Apply 
5) 设置温度:【Details of “Temperature”】?【Definiton】?【Magnitude】=100?C 
 
 
图5-19 上表面施加温度 
施加外表面及底部温度0?C:(图5-20) 
6) 选择【Steady-State Thermal(A5)】 
7) 工具栏中选择【Temperature】 
8) 工具栏选取面选择按钮 
9) 按住【Ctrl】键,图形区选取外表面及底部面 
10) 确认选择:【Details of “Temperature”】?【Scope】?【Geometry】=Apply 
11) 设置温度:【Details of “Temperature”】?【Definiton】?【Magnitude】=0?C 
 
 
图5-20 施加底部及边表面温度 
7、设置需要的结果(图5-21) 
1) 选择【Solution(A6)】 
2) 工具栏中选择【Thermal】?【Temperature】 
 
 
图5-21 设置温度结果 
8、求解及结果显示(图5-22) 
运行【Solve】求解,选【Solution Information】时,可以从输出工作表看求解状态,求解结束后可以显示结果: 
1) 设置显示窗口为4个视窗。 
2) 选择左上窗口。 
3) 导航树选择【Model】?【Mesh】,左上窗口显示网格。 
4) 选择右上窗口。 
5) 导航树选择【Steady-State Thermal(A5)】?【Temperature】,右上窗口显示加载温度100?C。 
6) 选择左下窗口。 
7) 导航树选择【Steady-State Thermal(A5)】?【Temperature2】,左下窗口显示加载温度0?C。 
8) 选择右下窗口。 
9) 导航树选择【Solutionl】?【Temperature】,右下窗口显示稳态热传导计算得到的温度变化。 
 
 
图5-22 结果显示 
5.2.4  ANSYS12.0稳态热分析案例—保温桶的对流传热 
5.2.4.1问题描述 
4层保温桶,最外层为钢,次外层为铝,中间为隔热的树脂基复合材料,里层为铝,筒内为热水,筒外为空气,需确定筒壁的温度场分布。 
 
图5-23 保温桶模型 
已知:筒内半径0.1m、筒长度0.2m、4层厚度为0.01m、0.02m、0.01m、0.005m,钢、复合材料及铝导热系数70、0.055、236w/m.℃, 水温度80 ℃,空气温度为20 ℃ ,空气对流系数12.5 w/m2.℃。 
5.2.4.2 问题分析 
属于稳态传热问题,由于几何结构,载荷及边界条件的轴对称,可取圆柱体任意圆周角的一部分,这里取45度。 
1. 选择稳态热分析系统。 
2. 确定材料参数:稳态传热问题,仅输入热传导系数。 
3. 【DesignMdoler】建立几何模型:考虑对称性,建立1/8圆柱体。 
4. 进入【Mechanical】分析程序。 
5. 网格划分:采用系统默认网格。 
6. 施加边界条件:圆柱体对称面无热量交换,为绝热边界,系统默认无需输入,圆柱体其它外表面输入温度。 
7. 设置需要的结果:温度分布。 
8. 求解及结果显示。 
 
5.2.4.3数值模拟过程 
1、选择稳态热分析系统(图5-24) 
1) 工程图解中调入稳态热分析系统Steady-State Thermal(ANSYS) 
2) 工程命名Attemperator Thermal analysis 
3) 保存工程名为Steady-State Thermal(attemperator) 
 
 
图5-24 建立保温桶分析文件 
2、确定材料参数(图5-25-图5-26) 
1) 编辑工程数据模型,添加材料的热传导率,右击鼠标选择【Engineering Data】?【Edit】见图5-25 
 
 
图5-25 编辑工程数据 
 
图5-26 设置材料属性 
2) 工程数据属性中增加新材料:【Outline of Schematic A2:Engineering Data】?【Click here to add new material】输入材料名称Aluminium. 
3) 选择【Thermal】?【Isotropic Thermal Conductivity】 
4) 选择钢材料属性【Properties of Outline Row 3: Aluminium.】?【Isotropic Thermal Conductivity】 
5) 出现【Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity】材料属性表,双击鼠标,点击每个区域输入材料属性参数:温度20?C,热传导率236w/m.℃。 
6) 参数输完后,工程数据表显示热传导率-温度图表。 
7) 同样输入树脂基复合材料热传导率0.055w/m.℃。 
8) 同样输入钢材料热传导率70w/m.℃。  
 
3、DM建立几何模型 
1) 选择【Geometry】-【New Geometry】,出现【DesignModeler】程序窗口,选择尺寸单位【Meter】。 
2) 【DesignModeler】中在工作平面XYPlane创建圆柱体截面草图。 
(1) 选择【Sketching】 
(2) 选择【Draw】?【Rectangle】 
(3) 在图形区坐标原点处点击鼠标左键,拖放鼠标画矩形。 
(4) 选择尺寸标注【Dimensions】 
(5) 图形区中选择矩形边线,拖放鼠标显示铝层厚度尺寸H1,高度尺寸V2,内半径尺寸L3。 
(6) 设置尺寸【Details View】?【Dimensions】?【H1】=0.01m,【V2】=0.2m,【L3】=0.1m。见图5-27 
 
 
图5-27 创建内层草图 
(7) 选择标签【Modeling】 
(8) 选择工作平面【XYPlane】 
(9) 工作平面内创建第2个草图:选择新草图按钮。 
(10) 选择新草图【Sketch2】 
(11) 新草图中绘制第2个矩形:选择标签【Sketching】,选择【Draw】?【Rectangle】,点击图形区第1个矩形外边线的一点,拖放鼠标画第2个矩形,选择尺寸标注【Dimensions】,图形区中选择第2个矩形边线,拖放鼠标显示复合材料层厚度
 
尺寸H4,设置尺寸【Details View】?【Dimensions】?【H4】=0.02m,见图5-28 
(12) 和创建第2个草图一样,创建草图【Sketch3】和【Sketch4】 
(13) 分别在草图【Sketch3】上绘制次外层矩形,厚度为0.01m,在草图【Sketch4】上绘制外层矩形,厚度为0.005m,如图5-29。 
 
 
图5-28 创建中层草图 
 
图5-29 创建外层草图 
3) 草图旋转生成1/8圆柱体 
(1) 选择【Modeling】模式,选择矩形草图【XYPlane】?【Sketch1】 
(2) 工具栏中选择旋转命令【Revolve】 
(3) 选择旋转轴:图形区点击Y轴 
(4) 确认旋转轴:【Details View】?【Details of Revolve1】?【Axis】=Apply 
(5) 设置旋转角度:【Details View】?【Details of Revolve1】?【FD1,Angle】=45
(6) 生成实体:选择【Generate】。 
(7) 得到旋转体,见图5-30 
 
 
图5-30 创建内层实体 
(8) 选择矩形草图【XYPlane】?【Sketch1】 
(9) 工具栏中选择旋转命令【Revolve】 
(10) 选择旋转轴:图形区点击Y轴 
(11) 确认旋转轴:【Details View】?【Details of Revolve2】?【Axis】=Apply 
(12) 设置冰冻体:【Details View】?【Details of Revolve2】?【Operation】=Add Frozen 
(13) 旋转角度:【Details View】?【Details of Revolve2】?【FD1,Angle】=45
(14) 生成实体:选择【Generate】,得到旋转体,见图5-31。 
 
 
图5-31 创建中层实体 
(15) 同样创建冰冻体【Revolve3】Revolve4】 
(16) 为方便,对创建的4个体按材料重新命名,内层aluminium1,中间层resin,次外层aluminium1,最外层steel 
(17) 点击体选择按钮 
(18) 图形区,点击鼠标右键,选择所有实体【Select All】 
(19) 4个体合成一个零件:【Tools】?【Form New Part】,见图5-32 
 
 
图5-32 创建外层实体 
4、进入【Mechanical】分析程序 
切换回Workbench窗口,选择【Setup】?【Edit】,进入【Mechanical】分析环境。 
5、给几何体分配材料属性(图5-33) 
1) 选择体【Model】?【Geometry】?【Part】?【Resin】 
2) 分配树脂复合材料:【Details of “resin”】 ?【Material】?【Assignment】=resin composite。 
3) 同样,选择体【Model】?【Geometry】?【Part】?【aluminium2】。 
4) 分配铝材料:【Details of “aluminium2”】 ?【Material】?【Assignment】= aluminium 
5) 同样,选择体【Model】?【Geometry】?【Part】?【steel】。 
6) 分配铝材料:【Details of “steel”】 ?【Material】?【Assignment】= steel。 
7) 同样,选择体【Model】?【Geometry】?【Part】?【aluminium1】分配铝材料:【Details of “aluminium1”】 ?【Material】?【Assignment】= aluminium。 
 
 
图5-33 分配材料属性 
6、网格划分(图5-34) 
1) 选择【Mesh】?【Generate Mesh】 
2) 图形区显示程序自动生成的六面体网格模型。 
 
 
图5-34 网格划分 
7、施加边界条件 
施加内层表面温度80?C:(图5-35) 
1) 选择【Steady-State Thermal(A5)】 
2) 工具栏中选择【Temperature】 
3) 图形区选取内层表面 
4) 确认选择:【Details of “Temperature”】?【Scope】?【Geometry】=Apply选中1 Face 
5) 设置温度:【Details of “Temperature”】?【Definiton】?【Magnitude】=80?C 
 
 
图5-35施加内层表面温度 
施加外表面对流换热系数及环境温度20?C:(图5-36) 
6) 工具栏中选择【Convection】 
7) 图形区选取外表面 
8) 确认选择:【Details of “Convection”】?【Scope】?【Geometry】=Apply选中1 Face 
9) 设置对流换热系数:【Details of “Convection”】?【Definiton】?【Film Coefficient】=12.5W/m2.?C 
10) 设置环境温度:【Details of “Temperature”】?【Definiton】?【Ambient Temperature】=0?C 
 
 
图5-36 施加对流载荷 
8、设置需要的结果(图5-37) 
1) 选择【Solution(A6)】 
2) 工具栏中选择【Thermal】?【Temperature】 
 
 
图5-37 设置温度结果 
9、求解及结果显示(图5-38) 
运行【Solve】求解,选【Solution Information】时,可以从输出工作表看求解状态,求解结束后可以显示结果: 
1) 导航树选择【Solutionl】?【Temperature】, 
2) 图形区显示稳态热传导计算得到的温度变化,温度从内向外逐步减少。 
3) 动画演示:图形区下方选择【play】播放按钮,可以动画演示温度的变化。 
4) 温度详细信息窗口显示最小温度值29.22?C和最大温度值80?C。 
 
 
图5-38 温度结果 
5.3  ANSYS12.0 Transient Thermal瞬态热分析 
5.3.1  瞬态热分析概述 
瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场,并将之作为热载荷进行应力分析。 
工程传热应用中,如热处理问题、电子封装、管口或喷嘴、发动机组、压力容器、流固耦合等,都包含瞬态热分析。  
瞬态热分析可以是线性或非线性。与温度相关的材料属性如热传导系数、比热及密度,或者与温度相关的对流系数、辐射系数都需要进行迭代求解的非线性分析。多数材料的热属性和温度相关,因此该分析通常是非线性的。  
瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。 为了表达随时间变化的载荷,可使用函数工具或描述载荷~时间曲线作为载荷施加。 或将载荷~时间曲线分为载荷步。载荷~时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步,如图5-39所示,对于每一个载荷步,必须定义载荷值及时间值,同时还需定义其它载荷步选项,如:
载荷步为渐变或阶跃、自动时间步长等。如果定义阶跃载荷,则载荷值在这个载荷步内保持不变;如果为渐变加载,则载荷值在当前载荷步的每一子步内线性变化。 
 
图5-39 时变热载荷 
5.3.2 瞬态热分析方法 
1. 工具箱中将瞬态热分析系统【Transient Thermal】拖入工程图解【Project Schematic】。 
2. 定义工程数据【Engineering Data】: 
(1) 必须定义热传导系数、比热和密度。 
(2) 热传导系数可以是各向同性或各向异性,所有材料参数可以是常量或温度相关。 
3. 导入几何模型。 
4. 定义零件行为。 
5. 定义联接关系。 
(1) 瞬态热分析中仅考虑接触,任何关节和弹簧将被忽略。 
(2) 热分析中初始接触条件始终保持不变,默认条件下,热传导完全通过无间隙接触面,如果考虑接触热阻,可以手工输入热传导值。 
6. 应用网格控制划分网格:如果瞬态热分析用于随后的结构分析,则需要足够精细的网格密度。 
7. 建立分析设置: 
(1) 步长控制【Step Controls】:定义瞬态分析的结束时间【Step End Time】,控制时间步长【Time Step】,或生成多载荷步【Number of Steps】。对非线性分析必须定义小的载荷步以获得收敛解。 
(2) 时间步长【Time Step】:对于瞬态分析,在热梯度大的区域(如淬火体的表面),热流方向的最大单元尺寸和能够得到好结果的最小时间步长有一个关系。在时间步保持不变的时候,更多的单元通常会得到更好的结果;但是,在网格尺寸不变的时候,子步越多,结果反而会变得更差。当采用自动时间步和中间节点的二次单元时,可以根据输入的荷载来控制最大的时间步长,定义最小的时间步长: 
 
?t=l2?c/4
其中:l 为在热梯度最大处沿热流方向的单元长度,?为密度,c为比热,?为热传导系数。 
当采用有中间节点的单元时,如果违反上述关系式,计算会出现不希望的振荡,计算出的温度会在物理上超出可能的范围。如果不采用带中间节点的单元,则一般不会计算出振荡的温度分布,那么上述建议的最小时间步长就有些保守。 
(3)  注意:不要采用特别小的时间步长,特别是当建立初始条件时。很小的数可能导致计算错误,比如:当一个问题的时间量级很小的时候,时间步长为1×10-10时就可能产生数值错误. 
(4) 自动时间步【Auto Time Stepping】在瞬态分析中也称为时间步优化,它使程序自动确定子步间的载荷增量。同时,它根据分析模型的响应情况,自动增、减时间步大小。在瞬态分析中,响应检测基于热特征值。对于大多数问题,都应该打开自动时间步长功能并设置积分时间步长的上下限。这种设置有助于控制时间步长的变化量。 
(5) 时间积分【Time Integration】:该选项决定了是否包括结构惯性力,热容之类的瞬态效应,在瞬态分析时,时间积分效应缺省是打开的,如果将其设为OFF,ANSYS将进行一个稳态分析。 
(6) 输出控制【Output Controls】:定义后处理所需要时间点的输出值,因为瞬态分析涉及到载荷历程中不同的时间点的计算结果,而并非所有结果都是我们感兴趣的,或者结果数据非常大,因此利用该选项可以严格控制得到在确定点的输出结果。 
(7) 非线性控制【Nonlinear Controls】:可以修改收敛准则和求解控制,通常不需要改变默认设置。 
(8) 分析数据管理【Analysis Data Management】:从瞬态热分析中保存特定的结果文件用于其它的分析类型。 
8. 定义初始条件: 
(1) 瞬态热分析中载荷是时间的函数,应用瞬态热载荷的第一步是建立零时刻的初始温度。 
(2) 瞬态分析默认的初始条件是统一温度为22?C或71.6?F,该温度可以根据实际的分析情况改变到适当的值。比如热处理中,把金属工件加热到一定温度,然后突然浸在水或油中使其冷却,以增加硬度的淬火分析。 
(3) 可以使用同样模型稳态热分析的温度结果作为瞬态分析的初始温度分布,如铸造零件的固化分析中模具和金属具有不同的初始温度,模具内融化金属的稳态热分析将作为固化分析的起点。 
(4) 瞬态分析的第一次迭代中,除了定义的温度自由度外,开始计算的温度值就是初始温度,此外,温度也用于评估温度相关的材料属性值。 
(5) 如果初始温度不一致,则可以定义温度来自于稳态热分析中不同时间点的温度值,设置的时间点不能超出稳态分析的结束时间。零值默认瞬态分析的初始条件来自于稳态分析的结束时间点的温度结果。 
9. 应用热载荷及边界条件: 
(1) 包括温度、对流、辐射、热流率、完全绝热、热通量、内部热生成、CFD导入的温度及对流。 
(2) 载荷值可以表示为常量或和时间相关的变量,载荷变量可以输入表格形式或函
 
数表达式。 
10. 求解: 
(1) 求解信息【Solution Information】提供一些用于监测求解过程的工具。求解输出【Solution Output】根据求解器的计算不断以列表形式更新输出求解信息,收敛数据的输出是以图形方式表示的。 
(2) 可以插入结果跟踪工具【Result Tracker】,显示关心点的温度随时间变化图,以监测求解过程中关心点的温度。 
11. 显示结果: 
(1) 包括所有热分析类型结果的云图显示、动画显示。 
(2) 探测点【Probes】可以显示结果随载荷历程的变化。 
(3) 图表【Chart】可以表示一个结果对另一个结果的变化,如表面温度随热生成率的变化,图表也用于同模型不同分析直接的结果比较。 
 
5.3.3  ANSYS12.0瞬态热分析案例—钢球淬火 
5.3.3.1问题描述 
直径0.12m, 温度900°C的钢球突然放入水箱,水箱完全绝热,直径及高度为0.6m的圆柱体,水温20 °C,计算1分钟后钢球与水的温度场分布。材料属性见表5-5. 
表5-5:材料属性 
  水 钢 单位 
密度 1000 7800 Kg/m3 
导热系数 0.61 70 w/m. ℃ 
比热 4185 448 J/kg. ℃ 
 
5.3.3.2问题分析     
图5-40 钢球模型 
1. 忽略水的流动,钢球置于水箱中央。 
2. 属于瞬态热传导问题,几何模型轴对称,取对称截面模型的一半进行轴对称分析。 
3. 分析过程,先做稳态热分析(1个时间步),以获得瞬态分析的初始条件。再分析瞬态过程,瞬态分析设置多个子载荷步,采用自动时间步长功能。求解完毕后,温度云图和热流密度向量图详细显示了计算结果。 
 
5.3.3.3数值模拟过程 
1. 调入工程数据【Engineering Data】 
2. 添加材料 
3. 调入稳态热分析 
4. 材料数据传入稳态分析环境 
5. 导入几何模型ThermalBall.agdb 
6. 进行稳态热分析 
7. 稳态热分析结果传入瞬态热分析 
8. 进行瞬态热分析,整个分析流程如图5-41 
 
 
图5-41 钢球冷却分析流程 
其中稳态热分析及结果见图5-42,施加球体温度900?C,施加水20?C,网格密度1mm,计算结果作为瞬态分析初值。 
 
图5-42 稳态热分析及结果 
瞬态分析中,初始条件来自于稳态热分析: 
1) 选择分析设置 
2) 设置属性为【Step End Time】=60s,【Auto Time Stepping】=on,【Define By】=Time,【Initial Time Step】=0.01s,【Minimum Time Step】=0.001s,【Maximum Time Step】=0.1s,【Time Integration】=on, 
3) 加入温度在圆柱体外边为20?C。 
4) 如图5-43中的外边。 
5) 瞬态热分析结果显示如图5-44,图中左侧为1分钟后温度分布结果,显示此时钢球降温为262?C,下方曲线显示温度随时间的变化。图中右侧为热通量结果,中间交界面处最大。 
 
注意:时间步长及网格划分对结果的影响,建模中,交界面处公共边应重合,否则会导致热量无法从钢球传导到水中,此外最好建模单位为mm。 
 
图5-43 瞬态热分析过程 
 
图5-44 瞬态热分析结果 
5.3.4 ANSYS12.0瞬态热分析案例—电路板热分析 
5.3.4.1 问题描述 
分析电路板中芯片在不同时间段发热的电路板的传热问题,先进行稳态热分析,得到初始电路板中一个芯片发热的温度分布,然后计算随后不同芯片发热的瞬态传热过程,电路板
为3D模型,几何模型为文件 BoardWithChips.x_t或chipset.x_t。瞬态传热的载荷为热生成率随时间变化以表格形式输入。 
 
图5-45 电路板模型 
5.3.4.2 数值模拟过程 
1. 调入稳态热分析 
2. 材料数据为默认 
3. 导入几何模型BoardWithChips. x_t 
4. 进行稳态热分析 
5. 稳态热分析结果传入瞬态热分析 
6. 进行瞬态热分析,整个分析流程如图5-46 
 
 
图5-46 电路板瞬态热分析流程 
其中,稳态热分析及结果见图5-49,应用热生成载荷 5e7 W/m3,应用简单对流边界条件,计算结果作为瞬态分析初值。 
1) 选择单位:【Units】?【Metric (m, kg, N, s, V, A)】. 
2) 应用热生成载荷 5e7 W/m3,见图5-47 
(1) 选择应用芯片,插入载荷  
(2) 【Insert】?【 Internal Heat Generation】  
(3) 输入载荷值:【Definition】?【Magnitude】=5e7 W/m3 
 
 
图5-47 应用热生成载荷 
3) 应用简单对流边界条件(图5-48) 
(1) 选择所有外表面:面选择,图形区鼠标右键选择【Select All】 
(2) 加入对流边界:【Insert】?【Convection】  
(3) 详细信息窗口设置:对流换热系数【Film Coefficient】=Stagnant Air - Simplified Case 
 
 
图5-48 施加简单对流边界 
4) 加入温度结果: 
(1) Solution  
(2) 【Insert】?【Thermal】?【Temperature】 
5) 求解:【Solve】 
6) 显示结果:【Temperature】 
 
 
图5-49 稳态热分析结果 
稳态热分析的结果传入瞬态热分析:工程图解中选择【Solution】?【Transfer Data To New】?【Transient Thermal】,如图5-50 
 
图5-50 稳态热分析结果做瞬态热分析初始条件 
进入瞬态热分析中,初始条件自动为稳态热分析的结果。其它设置如下: 
1) 分析设置如图5-51 
(1) 选择【Analysis Settings】 
(2) 详细信息窗口定义结束时间:【Step End Time】=200s 
(3) 时间子步为程序默认 
 
 
图5-51 时间步设置 
2) 定义内部热生成5e7 W/m3在另一芯片上,作用时间20s-40s,模拟开关状态(图5-52) 
(1) 图中选芯片 
 
(2) 加入热生成率:【Insert】?【 Internal Heat Generation】 
(3) 编辑数据表【Tabular Data】,设置Time = 0,20,20.1,40,40.1,200,【Internal Heat Generation】 = 0,0,5e7,5e7,0,0 
(4) 载荷历程图表 
 
 
图5-52 应用热生成历程 
3) 同样应用热生成 1e8 W/m3 在另一芯片,模拟开关时间 60- 70 s,见图5-53 
 
 
图5-53 应用热生成 1e8 W/m3 在另一芯片 
4) 加入简单对流边界 
5) 定义温度:【Insert】?【Thermal】?【Temperature】 
6) 求解结果【Solve】  
7) 看温度历程结果图5-54,图形区显示最后时间200s时,最大温度144度,而温度-时间历程曲线及数据列表显示75s时,最大温度近260度。 
 
 
图5-54 瞬态分析温度结果 
8) 查看关心时间点对应的温度: 选择温度曲线的最大值点,鼠标右键选【Retrieve This Result】,图中显示当前时间点的温度分布。 图5-55 
 
 
图5-55 查看某一时间点温度分布 
9) 查看关心处的温度数据曲线. 
(1) 选择芯片 
(2) 选【Solution】,鼠标右键【Insert】?【 Probe】?【 Temperature】 
(3) 选【Temperature Probe】?【Evaluate All Results】得到该芯片的温度随时间变化结果。 
 
 
图5-56 查看关心处的温度变化 
10) 画关心芯片的温度曲线表,图5-57 
(1) 选择温度 【Temperature Probe】  
(2) 选择图表按钮加入【Chart】 
(3) 选图表,显示芯片的温度随时间变化曲线。 
 
 
图5-57 芯片温度变化曲线 
 
 详细原文,详见附件:ANSYS_12.0_Workbench-热分析教程.pdf
 
 
 
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