Workbench案例分享：饼干加热仿真过程

简介

传统烤箱主要通过来自加热装置的辐射来加热食物元素。对流烤箱除了辐射外还使用强制对流，以加热食物。在这个案例中，我们不对辐射进行建模，而是关注关于比较由于自然对流而发生的热传递（在传统烤箱）和强制对流（在对流烤箱中）。

目标

• 比较两个烤箱将饼干加热到温度200℃时所需要的时间；
• 比较饼干在两种设置的烤箱中，饼干中的温度分布的均匀性。

步骤

1. 打开Ansys Workbench，创建一个瞬态热分析项目：Transient Thermal；

2.设置单位为公制：Metric（Kg,m,℃）；（为了方便材料属性的定义）

3.定义饼干的材料属性：密度：5kg/m-3；导热率：0.3W/(m*℃)；比热容：2000J/(kg*℃)；

4.再把单位制切换到Metric（Kg,mm,℃）；

5.导入几何模型：

6.给饼干分配材料属性；

7.分别创建上下表面集：Name Selection：Top surface，Bottom surface；

其中Top surface创建如下：

Y坐标-1.6的设置如下：

需要找到饼干上表面Y坐标的大致数值：

在选择模式下，选择“点”选择模式：Vertex selection；

在上表面下大致位置，选择一点，然后选择Home菜单栏的：Selection Information；就可以显示出该点的坐标信息，如图：得知该点的Y坐标为-1.3556；

同样的操作方式，可以创建Bottom surface的Name selection，参数如下：

8.网格划分：采用软件默认网格划分方式，对饼干模型进行网格划分；

9.仿真初始条件设置：

我们假设烤箱在220秒内达到250℃。在详细信息中分析设置，将 Step End Time 设置为200s。将定义方式设置为Substeps，并设置Initial Substeps、Minimum Substeps和Maximum子步数为20，如图所示：

仿真边界条件设置：

初始环境温度均匀，设置为22℃。对于边界条件下，我们假设cookie 的底面通过来自烤盘的热传导。顶部表面通过对流被加热。在底面上应用传导边界条件，然后让温度从0到200秒从22℃升高到250℃（同烤箱加热的时间）。

将对流边界条件应用于顶面。首先，我们将模拟传统烤箱。采用表格数据来设置对流系数和环境温度。在t=0s，（环境）温度为22℃，薄系数为2e-5𝑊/𝑚𝑚℃，在t=200s，（环境）温度达到250℃，成膜系数仍为2e-5W/𝑚𝑚℃。

薄膜系数是量化传热能力的参数通过对流，膜系数越大，传热越快通过对流。

仿真得到饼干的瞬态温度场及随时间变化的温度曲线和数据表，如图所示：

从表中可以看出，在170s时，饼干的最低温度可以超过200℃；

复制上面的仿真结果：把薄系数改为2e-3𝑊/𝑚𝑚℃，在t=200s，（环境）温度达到250℃，成膜系数仍为2e-3W/𝑚𝑚℃。其他边界条件不变：

仿真得到温度场及瞬态温度-时间数据如下：

可以看到，在160s时，饼干的最低温度就已经超过200℃。

结论

这个例子比较了曲奇饼干的温度分布，在传统烤箱和对流烤箱中烘烤时。我们发现与传统烤箱相比，对流烤箱更快更均匀地加热饼干。这就是为什么对流烤箱比传统烤箱成本更高的原因。

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