三维热传导问题温度场分布的数值分析2

5. 【Multizone】：多重区域网格划分自动对几何体进行分解成映射区域和自由区域，可以自动判断 区域并生成纯六面体网格，对不满足条件的区域采用更好的非结构网格划分，多重区域网格划分和扫 掠网格划分相似，但更适合于用扫掠方法不能分解的几何体
6. 【CFX-Mesh】：采用流体网格CFX划分实体
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 运用ANSYS对圆柱体进行热分析的步骤如下：
（1）按照圆柱体的实际几何尺寸,建立圆柱体的三维计算模型； （2）定义热分析的类型,即选择“稳态热传导”； （3）确定圆柱体的材料，设臵模型的材料属性,并将三维计算模型进行网 格划分； （4）设定模型边界条件温度，然后进行分析计算；
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场分布（玻璃）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场分布（松木）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 根据上图的温度场和热流密度分布图，可知， 热导率改变后（由玻璃变为松木），温度场分布大 体不变（最大值、最小值不变），内部分布数值变 化快慢发生变化。当热导率降低，热流密度降低， 根据公式 t q grad t n
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 结构材质（导热系数）
保持圆柱体热边界条件不变的情况下，通过改变三维结构的材料
属性，对比钢、玻璃、松木（对应不同的导热系数）的温度场分布规律 ，分析结构材质对温度场分布的影响。其中，钢、玻璃、松木的热导率 分别为30w/m.℃、0.75w/m.℃、0.35w/m.℃。
结构形状（几何尺寸）
保持左右两端热边界条件不变的情况下，通过 改变三维结构的几何形状，对比圆柱体、长方体、 任意不规则旋转体（长度、横截面面积尽量保持一 致）的温度场分布规律，分析结构形状对温度场分 布的影响。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场分布（圆柱体）
Байду номын сангаас
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
（2）在圆柱体上表面,由于直接接触高温气体，致使工作温度接近于100 ℃。 （3）圆柱体的温度分布是从上向下逐渐降低，且靠近上表面的温度最高 ，但尚属于安全工作范围。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
从ANSYS计算结果（如图所示）可以看出：
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 数值分析解法
有限单元法（ABAQUS、ANSYS、MRAC） 有限差分法（FLAC/FLAC3D） 有限体积法（CFD）
边界元法（Fortran、C语言、Matlab）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 ANSYS
ANSYS 软件是第一个通过 ISO9001 质量认证的大型
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场分布（长方体）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场分布（不规则旋转体）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热流密度（q）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 当三维结构为规则体——圆柱体、长方体时，各个 网格节点的热流密度大小为常值；当三维结构为不 规则体旋转体时，热流密度大小在不同的横截面有 不同的数值。再结合温度场分布图可知，当横截面 积不变时，热流密度大小不变，温度场线性分布； 反之，温度场则不规律分布。
三维热传导问题温度场分布的数值分析
题目： 三维热传导问题温度场分布的数值分析 报告组别：第一组
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 方法简介
具体内容 应用实例
影响条件
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 方法简介
分析解法：数学分析严谨，只有少数几何形状和边界 条件都比较简单的导热问题才能精确地分析求解 数值解法：运用计算机辅助工程技术CAE，求解复杂 传热问题，应用范围广、解题速度快、精确度高 实验方法：费用高、时间长、不易重复
(2) 圆柱体的上表面温度是整个模型温度最高的区域，通过温度场和 热流密度分布情况可以看出，上表面到下表面的温度分布是逐渐变小的 。 (3) 根据不同的三维模型尺寸、材料属性、边界条件，得到的温度场 分布是不同的，说明影响温度场的分布的数值大小包括以上三个因素。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 参考文献：
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
进一步拓展
改变哪一些条件，温度场将会随之改变？
答：即单值性条件的4个方面：几何条件、物 理条件、时间条件、边界条件。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 影响条件 结构形状（几何尺寸） 结构材质（导热系数） 其他因素（边界条件）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
圆柱体的热流密度为常值0.003W/ mm2。
t q grad t n n
由傅里叶定律可知，导热热流密度的大小与温度梯度的绝对值成 正比，其方向与温度梯度的方向相反。即当热流密度为常值时，温度变 化率也为常值，圆柱体内部温度场的分布为线性分布。 显而易见,当上表面接触100℃高温气体时，对圆柱体下表面进行 冷却的效果是极好的，阻止了高温的扩散。
（5）对计算结果进行后处理,如得出整个计算模型或某个部件的温度分布 图以及热通量分布图等。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 温度场（t）的分析结果
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 通过ANSYS软件计算得到的计算模型温度分布图可 以看出:
（1）计算模型等温线致是围绕着圆柱体轴心三维对称分布的,轴线上的温 度分布大致为线性分布。


至于自动网格划分，是最傻瓜化的方式，一般对于初学者适用。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 施加上表面温度100°C（下表面0°C同理）
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 施加边界条件
施加上表面温度100°C
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 施加边界条件
施加下表面温度 0°C

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三维热传导问题温度场分布的数值分析
总体来说，对于空间物体而言，我们应当尽量使用六面体网格。 当对象是一个简单的规则体时，使用扫掠网格划分是合适的；


当对象是对个简单的规则体组成时，使用多域扫掠网格划分是合适的；
接着尽量使用六面体主导的方式，它会在外层形成六面体网格，而在心部填充四面体网格。 四面体网格是最后的选择。其中如果要忽略一些小细节，如倒角，小孔等，则使用patch independent 算法; 如果要要考虑一些小细节，则使用patch conforming算法。
n
得到温度场内温度变化率也降低。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 其他因素（边界条件）
保持三维结构的材料属性（钢）和几何尺寸（圆柱体）不变的情
况下，通过改变边界条件的温度，如把上表面的温度由100℃变为50℃ ，研究温度场的变化情况。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 通过温度场计算结果可知，上表面温度降为原 来温度一半，温度场的最大值也降为原来的一半， 内部各个网格点的数值也变为一半。说明边界上的 初始温度影响着模型内部实际的热量传递数值。
Fig. 1
图1 计算模型三维结构示意图 3-D structure sketch map of calculation model
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 解题步骤
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. 设臵需要的结果：温度分布。 8. 求解及结果显示。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
运用ANSYS软件对圆柱体进行传热分析,充分利用其强大的仿真计算能力 ,可以深入地了解圆柱体类实物在一定边界条件下的温度场分布。
(1) 通过对圆柱体模型进行传热学分析，对圆柱体温度分布情况进行 仿真计算，能够实现对圆柱体温度场的全面模拟,有利于进一步研究复 杂模型的温度场分布。
分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME） 、美国 核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析 软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员 会认证并在国务院十七个部委推广使用。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 ANSYS(Steady-State Thermal稳态热分析)
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 生成草图
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 建成模型
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 网格划分
网格离散的单元类型为六面体，网格划分的节点数为1376，单元
数为253。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 网格划分类型根据算法可以分为：协调分片算法【 Patch Conforming】和独立分片算法【Patch Inde pendent】 。 网格划分类型根据单元形状可以分为：四面体网格 【Tet Meshing】 ，六面体网格【Hex Meshing】 ，四边形网格【Quad Meshing】 ，三角形网格【T riangle Meshing】 。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
1. 【Automatic】：程序自动划分网格 2. 【Tetrahedrons】：采用四面体单元划分。


3. 【Hex Dominant】 ： 主要采用六面体单元划分， 但是包含少量金字塔单元和四面体单元 。
4. 【Sweep】：扫掠划分，可以扫掠的实体划分后具有的是六面体单元，也可能包含楔形单元，其他 实体采用四面体单元划分，扫掠划分要求实体在某一方向上具有相同的拓扑结构。
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 结构分析与热分析的类比
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 热分析符号及单位
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三维热传导问题温度场分布的数值分析 ANSYS14.5 三维稳态热传导数值分析—圆柱体的稳态 传热
问题：圆柱体，直径为0.1 m，长为1 m,上方施加100 ℃的温度载 荷，下端面温度为0 ℃ ，研究圆柱体内部温度场的分布。（假 设圆柱体和外界无热交换）。材料为钢，它的热传导系数为 30 w/m.℃（22℃时）。见图 1。
[1] 薛庆国,高小武,程素森.冷却壁高炉炉墙温度场 的数值模拟(J).北京科技大学学报，2000,22(2):1 27-130.
[2] 张学学. 热工基础[M]. 高等教育出版社， 2015 . 176-177
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三维热传导问题温度场分布的数值分析
谢谢大家
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