稳态传热分析及案例
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, NEWGUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-statel 如果继续上一次分析，比如增加边界条件等：Command: ANTYPE, STATIC, RESTGUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart②、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: DGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperatureb、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: FGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Flowc、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: SFGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Convectiond、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: FGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Fluxe、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: BFGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Heat Generat③、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: TIMEGUI: 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: NSUBSTGUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and SubstpsCommand: DELTIMGUI: 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: KBCGUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time-Time Step/Time and Substpsb. 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: NEQITGUI: 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: AUTOTSGUI: 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: CNVTOLGUI: 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: NCNVGUI: 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: LNSRCHGUI: 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: PREDGUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Nolinear>Predictorc. 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: OUTPRGUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>Solu Printout· 控制结果文件：控制*.rth的内容。Command: OUTRESGUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts-Output Ctrls>DB/Results File④、确定分析选项a. Newton-Raphson选项（仅对非线性分析有用）Command: NROPTGUI: Main Menu>Solution>Analysis Optionsb. 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: EQSLVGUI: 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 analysisc. 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: TOFFSTGUI: Main Menu>Solution>Analysis Options⑤、保存模型: 点击ANSYS工具条SAVE_DB。⑥、求解Command: SOLVEGUI: Main Menu>Solution>Current LS3、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: SETGUI: 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: PLVECTGUI: 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》。
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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 30feet 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 70oF 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 80BTU/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：*接管内壁对流系数求罐与接管的温度分布。以下分别列出LOG文件及菜单操作菜单操作1、设定标题:Utility Menu>File>Change Title,输入Steady-State analysis of pipe junction,选择OK;2、设定单位制:在命令提示行输入/UNITS,BIN;3、定义单元类型:Main Menu>Preprocesor>Element Type>Add/Edit/Delete,选择Thermal Solid, Bricck 20 node 90号单元;4、定义材料属性(1)Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Constant->Isotropic,默认材料编号1,在DENSITY框中输入0.285;(2)Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Temp Table,输入温度70,200,300,400,500;(3)Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Prop Table,选择导热系数KXX,材料编号为1,输入与温度表对应的导热系数8.35/12,8.9/12,9.35/12,9.8/12,10.23/12,选择APPLY;(4)选择比热C,材料编号为1,输入0.113,0.117,0.119,0.122,0.125,选择APPLY;(5)选择对流系数HF,材料编号为2,输入426/144,405/144,352/144,275/144, 221/144，选择OK。5、定义几何模型参数：Utility Menu>Parameters>Scalar Parameters,输入ri1=1.3,ro1=1.5,z1=2,ri2=0.4,ro2=0.5,z2=2;6、建立几何模型(1)Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>ByDimensions, Outer radius框中输入ro1,Optional inner radium框中输入ri1,Z coordinates框中输入0和Z1,Ending angle框中输入90;(2)Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments,在XY,YZ,ZX框中输入0,-90;(3)Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Volumes->Cylinder>ByDimensions; Outer radius框中输入ro2, Optional inner radium框中输入ri2, Z coordinates框中输入0和Z2,Starting angle框中输入-90,Ending angle框中输入0;(4)Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian；7、进行布尔操作:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans->Overlap >Volumes,选择Pick All；8、观察几何模型(1)Utility Menu>PlotCtrls>Numbering,打开volumes;(2)Utility Menu>PlotCtrls>View Direction, 在Coords of view point框中输入-3,-1,1；9、 删除多余实体Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Delete>Volume and Below,在命令输入行输入3,4回车；10、创建组AREMOTE(1)Utility Menu>Select>Entities,选择Area, By location, Z Coordinates, 在Min, Max框中输入Z1,选择APPLY,Y Coordinates, 在Min, Max框中输入0,OK;(2)Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Create Component,在Component name框中输入AREMOTE, 在Components is made of菜单中选择AREA；11、组合面及线(1)Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Volumes->Mapped>-Concatenate->Area,选择Pick all；(2)Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Volumes->Mapped>-Concatenate->Lines,在命令行中输入12,7回车,选择APPLY,在命令行中输入10,5回车,OK；12、设定网格密度(1)Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>Picked Lines,选择线6和20,OK,在No. of element divisions框中输入4,OK；(2)Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>Picked Lines,选择线40,OK,在No. of element divisions框中输入6,OK；(3)Utility Menu>Select>Everything；(4)Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Global->Size,在element edge length框中输入0.4,OK；13、划分网格:Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Volumes->Mapped>4 to 6 sides,选择Pick All；14、定义求解类型及选项(1)Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis,选择Steady-State；(2)Main Menu>Solution>-Analysis Options,选择Program-chosen；15、施加对流载荷(1)Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cylindrical；(2)Utility Menu>Select>Entities,选择Nodes, By location, X,在Min, Max框中输入ri1,OK；(3)Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Convection>On Nodes,选择Pick All, 输入250/144及450,OK；16、在AREMOTE组上施加温度约束(1)Utility Menu>Select>Comp/Assembly>Select Comp/Assembly,选aremote;(2)Utility Menu>Select>Entities,选择Nodes, Attached to, On the Area all, OK；(3)Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes,选择Pick all,输入45,OK；17、施加与温度有关的对流边界条件(1)Utility Menu>WorkPlane>Offset WP by Increments,在XY,YZ,ZX Angles框中输入0,-90,OK;(2)Utility Menu>WorkPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>At WP Origin,在Type of coordinate system菜单中,选择Cylindrical 1,OK；(3)Utility Menu>Select Entities,选择Nodes, By location, X, 在Min, Max框中输入ri2,OK；(4)Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Convection>On Nodes,选择Pick All,在Film coefficient框中输入-2,在Bulk temperature框中输入100,OK;(5)Utility Menu>Select>Everything；(6)Utility Menu>PlotCtrls>Symbols,在Show pres and convect as菜单中选择Arrow, OK;(7)Utility Menu>Plot>Nodes；18、恢复工作平面及坐标系统(1)Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS to>Global Cartesian；(2)Utility Menu>WorkPlane>Align WP with>Global Cartesian；19、设定载荷步选项:Main Menu>Solution>-Load Step Options->Time/Frequenc>Time and Substeps,在Number of substeps框中输入50,设置Automatic time stepping为On；20、求解:Main Menu>Solution>-Solve->Current LS21、显示温度分布彩色云图: Main Menu>General Postproc>Plot Results>-Contour Plot->Nodal Solu,选择Temperature TEMP。
来源：CAE技术联盟
很好的案例学习了
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