稳态传热分析实战：从基础到进阶

一、稳态传热的定义

稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。

稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数

二、热分析的单元

热分析涉及到的单元有大约40种，其中纯粹用于热分析的有14种：

线性：      LINK32      两维二节点热传导单元

                LINK33     三维二节点热传导单元

                LINK34     二节点热对流单元

                LINK31     二节点热辐射单元

二维实体：     PLANE55         四节点四边形单元

        PLANE77         八节点四边形单元

        PLANE35         三节点三角形单元

        PLANE75         四节点轴对称单元

        PLANE78         八节点轴对称单元

三维实体   SOLID87          六节点四面体单元

        SOLID70          八节点六面体单元

        SOLID90          二十节点六面体单元

壳       SHELL57          四节点

点       MASS71    

有关单元的详细解释，请参阅《ANSYS Element Reference Guide》

三、ANSYS稳态热分析的基本过程

ANSYS热分析可分为三个步骤：

·      前处理：    建模

·      求解： 施加载荷计算

·      后处理：    查看结果

1 建模
   

①、确定jobname、title、unit；

②、进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元选项；

③、定义单元实常数；

④、定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需定义导热系数，它可以是恒定的，也可以随温度变化；

⑤、创建几何模型并划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。

2施加载荷计算
   

①、定义分析类型

l   如果进行新的热分析：

Command: ANTYPE, STATIC, NEW

GUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state

l   如果继续上一次分析，比如增加边界条件等：

Command: ANTYPE, STATIC, REST

GUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart

②、施加载荷

可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件) ：

a、恒定的温度

通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。

Command Family: D

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperature

b、热流率

热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷)，如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS读取温度值进行计算。

注意：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要密一些，在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时，尤其要注意。此外，尽可能使用热生成或热流密度边界条件，这样结果会更精确些。

Command Family: F

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flow

c、对流

对流边界条件作为面载施加于实体的外表面，计算与流体的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上，对于线模型，可以通过对流线单元LINK34考虑对流。

Command Family: SF

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection

d、热流密度

热流密度也是一种面载。当通过单位面积的热流率已知或通过FLOTRAN CFD计算得到时，可以在模型相应的外表面施加热流密度。如果输入的值为正，代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。

Command Family: F

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flux

e、生热率

生热率作为体载施加于单元上，可以模拟化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。

Command Family: BF

GUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat

③、确定载荷步选项

对于一个热分析，可以确定普通选项、非线性选项以及输出控制。

a. 普通选项

·      时间选项：虽然对于稳态热分析，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。

Command: TIME

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

·      每载荷步中子步的数量或时间步大小：对于非线性分析，每一载荷步需要多个子步。

Command: NSUBST

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps

Command: DELTIM

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time-Time Step

·      递进或阶越选项：如果定义阶越(stepped)选项，载荷值在这个载荷步内保持不变；如果为递进(ramped)选项，则载荷值由上一载荷步值到本载荷步值随每一子步线性变化。

Command: KBC

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

b. 非线性选项

·      迭代次数：本选项设置每一子步允许的最多的迭代次数。默认值为25，对大数热分析问题足够。

Command: NEQIT

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Equilibrium Iter

·      自动时间步长: 对于非线性问题，可以自动设定子步间载荷的增长，保证求解的稳定性和准确性。

Command: AUTOTS

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substps

·      收敛误差：可根据温度、热流率等检验热分析的收敛性。

Command: CNVTOL

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Convergence Crit

·      求解结束选项：如果在规定的迭代次数内，达不到收敛，ANSYS可以停止求解或到下一载荷步继续求解。

Command: NCNV

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Criteria to Stop

·      线性搜索：设置本选项可使ANSYS用Newton-Raphson方法进行线性搜索。

Command: LNSRCH

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Line Search

·      预测矫正：本选项可激活每一子步第一次迭代对自由度求解的预测矫正。

Command: PRED

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Predictor

c.   输出控制

·      控制打印输出：本选项可将任何结果数据输出到*.out 文件中。

Command: OUTPR

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout

·      控制结果文件：控制*.rth的内容。

Command: OUTRES

GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File

④、确定分析选项

a.   Newton-Raphson选项（仅对非线性分析有用）

Command: NROPT

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

b.   选择求解器：可选择如下求解器中一个进行求解：

·      Frontal solver(默认）

·      Jacobi Conjugate Gradient(JCG) solver

·      JCG out-of-memory solver

·      Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver

·      Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver(PCG)

·      Iterative(automatic solver selection option)

Command: EQSLV

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

注意：热分析可选用Iterative选项进行快速求解，但如下情况除外：

·      热分析包含SURF19或SURF22或超单元；

·      热辐射分析；

·      相变分析

·      需要restart an analysis

c.   确定绝对零度：在进行热辐射分析时，要将目前的温度值换算为绝对温度。如果使用的温度单位是摄氏度，此值应设定为273；如果使用的是华氏度，则为460。

Command: TOFFST

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

⑤、保存模型: 点击ANSYS工具条SAVE_DB。

⑥、求解

Command: SOLVE

GUI: Main Menu>Solution>Current LS

3后处理

ANSYS将热分析的结果写入*.rth文件中，它包含如下数据：

基本数据：

·      节点温度

导出数据：

·      节点及单元的热流密度

·      节点及单元的热梯度

·      单元热流率

·      节点的反作用热流率

·      其它

对于稳态热分析，可以使用POST1进行后处理，关于后处理的完整描述，可参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

进入POST1后，读入载荷步和子步：

Command: SET

GUI: Main Menu>General Postproc>-Read Results-By Load Step

可以通过如下三种方式查看结果：

·      彩色云图显示

Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等

GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Nodal Solu, Element Solu, Elem Table

·      矢量图显示

Command: PLVECT

GUI: Main Menu>General Postproc>Plot Results>Pre-defined or Userdefined

·      列表显示

Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等

GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu

详细过程请参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》。

实例1：

某一潜水艇可以简化为一圆筒，它由三层组成，最外面一层为不锈钢，中间为玻纤隔热层，最里面为铝层，筒内为空气，筒外为海水，求内外壁面温度及温度分布。

几何参数：     筒外径       30  feet

                      总壁厚       2    inch

                      不锈钢层壁厚   0.75     inch

                       玻纤层壁厚      1    inch

                       铝层壁厚          0.25     inch

                        筒长                200 feet

^{导热系数   不锈钢       8.27     BTU/hr.ft.oF}

        ^{玻纤                0.028    BTU/hr.ft.oF}

        ^{铝              117.4    BTU/hr.ft.oF}

^{边界条件   空气温度          70  oF}

               ^{海水温度          44.5     oF}

        ^{空气对流系数   2.5 BTU/hr.ft2.oF}

        ^{海水对流系数   80  BTU/hr.ft2.oF}

沿垂直于圆筒轴线作横截面，得到一圆环，取其中1度进行分析,如图示。

以下分别列出log文件和菜单文件。

菜单操作:

1.Utility Menu>File>change jobename, 输入Steady1；

2.Utility Menu>File>change title,输入Steady-state thermal analysis of submarine；

3.在命令行输入:/units, BFT；

4.Main Menu: Preprocessor；

5.Main Menu: Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete,选择PLANE55；

6.Main Menu: Preprocessor>Material Prop>-Constant-Isotropic,默认材料编号为1,在KXX框中输入8.27,选择APPLY,输入材料编号为2,在KXX框中输入0.028,选择APPLY,输入材料编号为3,在KXX框中输入117.4；

7.Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas-Circle>By Dimensions ,在RAD1中输入15,在RAD2中输入15-(.75/12),在THERA1中输入-0.5,在THERA2中输入0.5,选择APPLY,在RAD1中输入15-(.75/12),在RAD2中输入15-(1.75/12),选择APPLY,在RAD1中输入15-(1.75/12),在RAD2中输入15-2/12,选择OK；

8.Main Menu: Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleane->Glue>Area,选择PICK ALL；

9.Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Size Contrls>-Lines-Picked Lines,选择不锈钢层短边,在NDIV框中输入4,选择APPLY,选择玻璃纤维层的短边,在NDIV框中输入5,选择APPLY,选择铝层的短边,在NDIV框中输入2,选择APPLY,选择四个长边,在NDIV中输入16；

10.Main Menu: Preprocessor>-Attributes-Define>Picked Area,选择不锈钢层,在MAT框中输入1,选择APPLY,选择玻璃纤维层,在MAT框中输入2,选择APPLY,选择铝层,在MAT框中输入3,选择OK；

11.Main Menu: Preprocessor>-Meshing-Mesh>-Areas-Mapped>3 or 4 sided,选择PICK ALL；

12.Main Menu: Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convection>On lines,选择不锈钢外壁,在VALI框中输入80,在VAL2I框中输入44.5,选择APPLY,选择铝层内壁,在VALI框中输入2.5,在VAL2I框中输入70,选择OK；

13.Main Menu: Solution>-Solve-Current LS；

14.Main Menu: General Postproc>Plot Results>-Contour Plot-Nodal Solu,选择Temperature。

实例2

一圆筒形的罐有一接管,罐外径为3英尺，壁厚为0.2英尺，接管外径为0.5英尺，壁厚为0.1英尺，罐与接管的轴线垂直且接管远离罐的端部。如图所示：

罐内流体温度为华氏450度,与罐壁的对流换热系数年为250BUT/hr-ft²-^oF,接管内流体的温度为华氏100度,与管壁的对流换热系数随管壁温度而变。接管与罐为同一种材料，它的热物理性能如下表所示：

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