瞬态热分析实例(二维)

模型[1]

热传导问题：

如图，110R cm =，220R cm =，密度为3

6000/kg m ，比热容为220/()J kg K ⋅，热传导率为6/()W m K ⋅，初始温度为300℃，突然放入30℃的液体中冷却，这种液体对流换热系数2120/()h W m K =⋅。计算：

（1）第1秒和第60秒这两个时刻温度分布情况；

（2）内外边在60秒内温度变化。

1．设置环境

① 设置分析模块。本例是温度分布分析，所以只需要选择热分析模块，这样就可以把结构分析模块、电磁场分析模块和流体分析模块的菜单都过滤掉。设置如图

② 设置单位

在命令行输入“/units,SI ”，SI 为设定为国际单位制。

必须注意：

[1] 秦宇.ANSYS 11.0基础与实例教程[M]. 北京,化学工业出版社,2009:318-330

ANSYS程序不会为你的分析假定一个单位制，除了磁场分析以外，你可以使用任何单位制，只要你能保证你输入的所有数据都是按照这个单位制进行的。也就是说，单位制在所有输入数据中应该保持一致。

使用/UNITS命令，你可以在ANSYS数据库中进行标记来表示你使用的单位制。但是请注意，这个命令并不将一个单位转化为另一个。它仅仅只作为对分析的一个评论记录。什么意思呢？就是/UNITS只是个标记，告诉别人程序的单位制，即使程序中没有使用这种单位制，它也不能将这种单位制转化为自己标记的那个单位制。

所以，如果你要让ANSYS的单位为国际单位制，你在输入物理量之前，先将所有的物理量转换为国际单位制，如：原先你的图纸上均为毫米，比如一个矩形截面尺寸是

400mm*500mm，那么，你在建模之前先转化为0.4m*0.5m然后输入的长度为0.4和0.5，ANSYS只知道你输入的是0.4和0.5，它不知道你的单位是什么。

2．定义单元类型和材料属性

①选择单元类型。如图：

我们选择【Quad 4node 55】即选择了PLANE55单元。

下面介绍一下PLANE55单元，我们直接从ANSYS帮助文档中摘录。

PLANE55 Element Description

PLANE55 can be used as a plane element or as an axisymmetric ring element with a 2-D thermal conduction capability. The element has four nodes with a single degree of freedom, temperature, at each node.

The element is applicable to a 2-D, steady-state or transient thermal analysis. The element can also compensate for mass transport heat flow from a constant velocity field. If the model containing the temperature element is also to be analyzed structurally, the element should be replaced by an equivalent structural element (such as PLANE182).

A similar element with midside node capability is PLANE77. A similar axisymmetric element which accepts nonaxisymmetric loading is PLANE75.

An option exists that allows the element to model nonlinear steady-state fluid flow through a porous medium. With this option the thermal parameters are interpreted as analogous fluid flow parameters. See PLANE55 in the Mechanical APDL Theory Reference for more details about this element.

Figure 55.1 PLANE55 Geometry

总体来说，对于我们要分析二维热传导问题，PLANE55单元是比较合适的，对于其他情况所用单元可参考相关文档。

②定义厚度。一般对于二维问题，不需定义厚度。定义厚度的原因在帮助文档里有这样一句话：

This element can also have a Z-depth specified by KEYOPT(3) and real constant THK. Be careful when using this option with other physics, especially radiation. Radiation view factors will be based on a unit Z-depth (only).

可见对于我们纯粹的热传导问题可以完全不需要定义厚度，这里仍按照其方法设置。

③ 定义材料属性。对于该热传导问题，需要定义的材料属性有：

密度为3

6000/kg m ，比热容为220/()J kg K ⋅，热传导率为6/()W m K ⋅，定义方式如图。

3．建立模型及网格划分

① 建立模型。建立模型方法较为简单，使用如下模块即可：

②设定划分网格密度。按照如下方式调出【MeshTool】对话框。