ANSYS Workbench 热分析教程

图 3-1 平行平板辐射模型
3.2. 问题分析
该问题为稳态辐射换热问题，分析思路如下： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 选择稳态热分析系统。 确定材料参数：稳态辐射换热问题，仅输入平板导热系数。 【DesignModeler】建立两平板几何模型。 进入【Mechanical】分析程序。 网格划分：采用系统默认网格。 施加边界条件：平板四周对称面无热量交换，为绝热边界，系统默认无需输入，环 境温度 20℃。 设置需要的结果：温度分布。 求解及结果显示。
图 2-2 建立保温桶分析文件
2、确定材料参数（图 2-3） 1) 编辑工程数据模型，添加材料的导热率，右击鼠标选择【Engineering Data】 【Edit】 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) 选择铝材料属性【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℃，导热率 236W/(m·℃)。 6) 参数输完后，工程数据表显示导热率-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·℃)。
图 2-12 施加内层表面温度
施加外表面对流换热系数及环境温度 20C： （图 2-13） 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·℃) 10) 设置环境温度： 【Details of “Temperature”】 【Definiton】 【Ambient Temperature】 =0℃
1.3. 数值模拟过程
1、选择稳态热分析系统 1) 工程图解中调入稳态热分析系统 Steady-State Thermal（ANSYS）
2) 工程命名 Conduction Thermal Analysis 3) 保存工程名为 Conduction Heat Transfer 2、确定材料参数 1) 编辑工程数据模型， 添加材料的导热率， 右击鼠标选择 【Engineering Data】 【Edit】 2) 选择钢材料属性【Properties of Outline Row 3: Structure Steel】 【Isotropic Thermal Conductivity】 3) 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℃，导热率 30W/(m·℃)。 4) 参数输完后，工程数据表显示导热率-温度图表。 3、DM 建立模型 1) 选择【Geometry】 【New Geometry】 ，出现【DesignModeler】程序窗口，选择尺 寸单位【Millimeter】 。 2) 【DesignModeler】中在平面 XYPlane 创建平板截面草图。 （图 1-2）
图 2-4 创建内层草绘
图 2-5 创建中层草绘
图 2-6 创建外层草绘
3) 草图旋转生成 1/8 圆柱体（图 2-7，图 2-8）
图 2-7 创建内层实体
图 2-8 创建中层实体
4) 同样创建旋转体【Revolve3】 【Revolve4】 ，4 个体合成一个零件： 【Tools】 【Form New Part】 ，见图 2-9
图 1-6 设置热流密度结果输出
9、求解及结果显示（图 3-9，图 3-8） 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】可以查看温度分布云图。 2) 导航树选择【Solutionl】 【Direction Heat Flux】可以查看 z 方向热流密度分布云 图，计算结果为-140kW/m2。
7. 8.
设置需要的结果：温度分布。 求解及结果显示。
2.3. 数值模拟过程
1、选择稳态热分析系统（图 2-2） 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 Convection Heat Transfer
3.3. 数值模拟过程
1、选择稳态热分析系统 1) 工程图解中调入稳态热分析系统 Steady-State Thermal（ANSYS） 2) 工程命名 Radiation Thermal Analysis 3) 保存工程名为 Radiation Heat Transfer 2、确定材料参数 这个问题的理论解建立在假设平板均匀热属性的基础上。对于这种情况，导热率肯 定非常高。默认时，两个平板是结构钢制成。编辑结构钢的材料属性，将热导率增大到 10000 W/(m·℃)。 1) 编辑工程数据模型，添加材料的导热率，右击鼠标选择【Engineering Data】 【Edit】 2) 选择钢材料属性【Properties of Outline Row 3: Structure Steel】 【Isotropic Thermal Conductivity】 3) 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℃，导热率 10000W/(m·℃)。 4) 参数输完后，工程数据表显示导热率-温度图表。 3、DM 建立模型 1) 选择【Geometry】 【New Geometry】 ，出现【DesignModeler】程序窗口，选择尺 寸单位【Millimeter】 。 2) 【DesignModeler】中在平面 XYPlane 创建平板截面草图。 （图 3-2）
图 1-4 网格划分
7、施加边界条件
1) 添加温度载荷，钢板上表面温度为 200℃。 （图 1-5）
图 1-5 添加温度载荷
2) 同以上步骤，建立钢板下表面的温度载荷 Temperature 2。 8、设置需要的结果（图 1-6） 1) 选择【Solution（A6） 】 2) 工具栏中选择【Thermal】 【Temperature】 3) 添加热流密度结果输出（图 1-6）
图 2-9 创建外层实体并合成零件
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 2-10）
图 2-10 分配材料属性
6、网格划分（图 2-11） 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 2-3 设置材料属性
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。 （图 2-4，图 2-5，图 2-6）
图 2-13 施加对流换热边界条件
8、设置需要的结果（图 2-14） 1) 选择【Solution（A6） 】 2) 工具栏中选择【Thermal】 【Temperature】
图 2-14 设置温度结果
9、求解及结果显示（图 2-15） 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】
图 2-11 网格划分
7、施加边界条件 施加内层表面温度 80℃： （图 2-12） 1) 选择 Steady-State Thermal； 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℃
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℃和最大温度值 80℃。
图 2-15 温度计算结果
3. 两平行平板间辐射换热
3.1. 问题描述
两平板平行，平板尺寸为 30mm×50mm，平板间距 S 可变。两平板的外表面流入 热流为 2W，空间温度 27℃，所有热流最终都将辐射到空间中，平板发射率为 0.10，试 分析平板的温度分布。
图 2-1 保温桶模型
2.2. 问题分析
该问题为稳态传热问题，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。分析思路如下： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 选择稳态热分析系统。 确定材料参数：稳态传热问题，仅输入导热系数。 【DesignModeler】建立几何模型：考虑对称性，建立 1/8 圆柱体。 进入【Mechanical】分析程序。 网格划分：采用系统默认网格。 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。
传热学上机实验指导书 ANSYS Workbench 热分析基础教程
编制：杨润泽 汽车工程系热能教研室 2012 年 7 月
1. 大平板一维稳态导热问题
1.1. 问题描述
长 500mm，宽 300mm，厚度 30mm 的大钢板，钢板上下表面的温度分别为 200℃ 和 60℃，钢的导热率为 30W/(m·K)，试分析钢板温度分布和热流密度。
图 1-7 温度计算结果
图 1-8 热流密度计算结果
2. 保温桶的传热过程分析
2.1. 问题描述
四层保温桶，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， 忽略接触热阻试确定筒壁的温度场分布。 已知： 筒内半径 0.1m、 筒长度 0.2m、四层厚度为 0.01m、0.02m、0.01m、0.005m，钢、复合材料及铝导热系数 70W/(m·℃)、0.055W/(m·℃)、236W/(m·℃)，保温桶内壁温度为 80℃，空气温度为 20℃， 空气对流换热系数 12.5W/(m2·℃题分析
该问题为稳态导热问题，分析思路如下： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 选择稳态热分析系统。 确定材料参数：稳态导热问题，仅输入平板导热率。 【DesignModeler】建立钢板的几何模型。 进入【Mechanical】分析程序。 网格划分：采用系统默认网格。 施加边界条件：钢板上下表面施加温度载荷，四周对称面无热量交换，为绝热边界， 系统默认无需输入。 设置需要的结果：温度分布和热流密度。 求解及结果显示。
图 1-1-2 创建平板截面草绘
3) 用截面草绘生成平板。 （图 1-3）
图 1-3 生成平板
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。 6、划分网格（图 1-4） 1) 选择【Mesh】 【Generate Mesh】 ； 2) 图形区显示程序自动生成的网格模型。