传热学是研究热量传递过程规律的一门科学。由于自然界和生产过程中到处都存在温度差，因此，传热是自然界和生产领域中非常普遍的现象，传热学的应用领域也十分广泛。传热学已是现代技术科学的主要技术基础学科之一，诸如以下领域都离不开传热学。近几十年来，传热学的成果对各个领域技术进步起到了很大的促进作用，而传热学向各个技术领域的渗透又推动了学科的迅速发展。传热学是一门重要的技术基础课程。......
2025-09-30
ANSYSWorkbench17.0热力学分析实例演练获得
【摘要】：ANSYS Workbench热分析中常用的符号及单位表达式见表4-1。表4-1 热分析符号及单位（续）ANSYS Workbench平台热分析中除了建立几何模型和网格划分外，作为一个完整的分析还必须有材料属性和接解设置（如果有）。ANSYS值由默认值确定，收敛容差为0.5%。
ANSYS Workbench热分析中常用的符号及单位表达式见表4-1。
表4-1 热分析符号及单位
（续）
ANSYS Workbench平台热分析中除了建立几何模型和网格划分外，作为一个完整的分析还必须有材料属性和接解设置（如果有）。
1.材料属性
（1）在稳态分析中，必须定义热传导系数。热传导系数可以是各向同性或各向异性，可以是常数或者与温度相关；
（2）瞬态热分析中，必须定义热传导系数、密度和比热。热传导系数可以各向同性或者各向异性，所有属性可以是常数或者与温度相关。
2.接触设置（如果有）
当导入实体零件组成的装配体时，实体间的接触区将会被自动创建。面与面或面与边接触允许实体零件间的边界上有不匹配的网格。
每个接触区都能用到接触面和目标面的概念。接触区的一侧由接触面组成，另一侧面由目标面组成。当一侧为接触面而另一侧为目标面时，称为反对称接触；另一方面，如果两侧都被指定成接触面或者目标面，则称为对称接触。在热分析中，指定哪一侧是接触面，哪一侧是目标面并不重要。在接触的法向上允许有接触面和目标面间的热流。接触实现了装配体中零件间的传热。
热量在接触区沿着接触法向流动，不管接触定义如何，只要接触法向上有接触单元，热量就会流动。在接触面与目标界面中，不考虑热量的扩散；而在壳或者实体单元内的接触面或者目标面上，由于傅里叶定律，需要考虑热量扩散的作用。
如果零件初始有接触，零件间就会发生传热；如果零件初始不接触，零件间将不会互相传热。对于不同的接触类型，热量是否会在接触面和目标面间传递参见表4-2。
表4-2 接触区传热
接触的弹球（Pinball）区域自动设置为一个相对较小的值，以调和模型中可能出现的小间隙。对基于（MPC）的绑定接触，如果存在间隙，在搜索方向可使用弹球区以检测间隙外的接触，如图4-1所示，（MPC）算法产生完全传热。对包含壳面或者实体边的接触，只能设置为绑定或不分离类型。包含壳面接触，只允许使用（MPC）算法的绑定接触行为。电焊为连接的壳装配体在离散点处传热提供了一种方法，如图4-2所示。
注：MPC是Multi Point Constraint的缩写，是ANSYS接触设置中的多节点探测约束，这种约束可减少两个几何中接触约束探测点，但必须在接触部位进行网格局部细化。
图4-1 接触弹球区域
图4-2 电焊接触
3.接触温差
默认时，在装配体的零件间会定义一个高的接触导热系数TCC，两个零件间的热流量由接触热通量q定义为：
q=TCC（Tt−Tc） （4-1）
式中，Tc是位于接触法向上某接触“节点”的温度，Tt是相应的目标“节点”的温度。
默认时，TCC根据设定的接触模型中的最大热传导系数λmax和装配体总体外边界对角线Diag，被设为一个相对较“高”的值，即TCC=λmax×10000/Diag，这最终提供了零件间完全的传热。
理想的零件间接触传热系数假定在接触界面上没有温度降低。接触热阻使接触的两个表面在穿过界面上有温度降低，如图4-3所示，这种温差是由两表面间的不良接触产生的，由此产生有限热传导，产生影响的因素包括表面的平面度、表面磨光、氧化物、残存流体、接触压力、表面温度、导热脂的使用等。
4.分析设置
对于简单线性行为无须设置，但对于复杂分析则需要设置一些控制选项，以达到加快或者满足收敛的要求，分析设置命令及含义见表4-3。
图4-3 接触温差
（1）步长控制（Step Controls）
非线性热分析时，步长控制用于控制时间步长，步长控制也用于创建多个载荷步。
（2）求解器控制（Solver Controls）
求解器控制中有直接（Direct）和迭代（Iterative）两种求解器可以使用，求解器是自动选取的。求解器类型（Solver Type）下设置默认选项，直接求解器（Direct）在包含薄面和细长体的模型中是有用的作为强有力的求解器，它可以处理任何情况。迭代求解器（Iterative）在处理体积大的模型时十分有效，但它对梁和壳来说不是很有效。
（3）非线性控制（Nonlinear Controls）
非线性控制可以修改收敛准则和其他的一些求解控制选项。只要运算满足收敛判断，程序就认为收敛。收敛判据可以基于温度，也可以基于热流率，或者二者都有。
表4-3 分析设置命令说明
在实际定义时，需要说明一个典型值（Value）和收敛容差（Tolerance），程序将二者的乘积值视为收敛判据。例如，说明温度的典型值为500，容差为0.001，那么收敛判据则为500×0.001=0.5℃。对于温度，ANSYS将连续两次平衡迭代之间节点上温度的变化量与收敛准则进行比较来判断是否收敛。如果在某两次平衡迭代间，每个节点的温度变化都小于0.5℃，那么当前求解的问题就达到收敛效果。
对于热流率，ANSYS比较不平衡载荷矢量和收敛准则，不平衡载荷矢量表示所施加的热流与内部计算热流率之间的差值。ANSYS（Value）值由默认值确定，收敛容差为0.5%。
线性搜索（Line Search）选项可以使ANSYS用New-Raphson（牛顿-拉夫逊）方法进行线性搜索。
（4）输出控制（Output Controls）
输出控制允许在结果后处理中得到需要的时间点结果，尤其是在非线性分析中，设置关键时刻的结果是很重要的。(https://www.chuimin.cn)
（5）分析数据管理（Analysis Data Management）
分析数据管理保存稳态热分析结果文件用于其他的分析系统，如稳态热分析的结果作为瞬态分析的初始条件，因此可以将稳态热分析结果随后的分析（Future Analysis）设置为瞬态热分析（Transient Thermal），用于后面的瞬态分析。
5.载荷与边界条件
载荷与边界条件可以直接在实体模型（点、线、面、体）上施加，可以是单值，也可以用表格或函数的方式来定义复杂的热载荷，ANSYS Workbench平台热分析的载荷与边界条件如图4-4所示。
图4-4 热分析载荷
（1）恒定温度（Temperature）
通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。对于3D分析和2D平面应力及轴对称分析，如图4-5所示。
图4-5 恒定温度
（2）对流（Convection）
用于3D分析和2D平面应力及轴对称分析，对流通过与流体接触面发生对流换热，只能施加到表面上，对流使“环境温度”与表面温度相关。对流热通量q与对流换热系数h、表面积A、表面温度Tf有关，如图4-6所示，对流换热系数h可以是常量或温度的变量，即与温度相关的对流条件。
图4-6 对流
首先确定h（T）使用什么样的温度，温度可以是：
●平均膜温度（Average Film Temperature）：
。
●表面温度（Surface Temperature）：T=Ts。
●环境温度（Bulk Temperature）：T=Tf。
●表面与环境温度差（Difference of Surfaceand Bulk Temperature）：T=Ts−Tf。
在对流详细信息窗口中选择（Film Coefficient）→Tabular（Temperature）选项，在出现的表数据中输入温度和对流换热系数，如图4-7所示。
图4-7 输入变量对流换热系数
（3）辐射（Radiation）
施加到3D表面或者2D模型的边，仅提供向周围环境的辐射设置，不包括两个或者多个面之间的相互辐射（需要通过在Workbench下编程实现），形状系数假定为F12=1，于是有：
Q=ε1AσF12(T14-T24) (4-3)
式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，并且自动由采用的单位制决定，辐射属性中设置热辐射效率（黑度）ε1和环境温度T2。
（4）热流率（Heat Flow）
指单位时间内通过传热面的热量。整个换热器的传热速率表征换热器的生产能力，单位为W。热流率作为节点集中载荷，可以施加点、边、面上，线体模型通常不能直接施加对流和热流的密度载荷。如果输入的数值为正，表示热流流入节点，即获得热量，如图4-8所示。
注：如果在实体单元的某一个节点上施加热流率，则此节点周围的单元应该密一些，特别是与该节点相连的单元的导热系数差别很大时，尤其要注意，不然可能会得到异常的温度值。因此，只要可能，都应该使用热生成或热流密度边界条件，这些载荷即使是在网格较为粗糙的时候也能得到较好的结果。
图4-8 热流率
（5）完全绝热（Perfectly Insulated）
用于3D分析和2D平面应力及轴对称分析，完全绝热条件施加到表面上，可认为是加载热流率，在热分析中，当不施加任何载荷时，它实际上就是自然产生的边界条件。
通常情况下，不需要给面上施加完全绝热条件，因为这是一个规则表面的默认状态。因此，这种加载通常用于删除某一个特定面上的载荷。例如，可以先在所有面上施加热通量或对流，然后用完全绝热条件有选择性地“删除”某些面上的载荷（比如与其他零件相接触的面等），此时要方便简单得多。
（6）热流密度（Heat Flux）
指单位时间通过单位传热面积所传递的热量，即
。在一定的热流量下，q越大，所需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热强度的指标，又称为热流密度，单位为W/m2，如图4-9所示。
●内部热生成（Internal Heat Generation）：用于3D分析和2D平面应力及轴对称分析，内部热生成作为体载荷只能施加到体上，可以模拟单元内的热生成，比如化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率W/m3。正的热负荷值将会向系统中添加能量，而且如果有多个载荷同时存在，其效果是累加的。
●CFD导入温度（CFD Imported Temperature）：通过与流体耦合计算时将流体中壁面的温度作用到结构上。
图4-9 热通量
●CFD导入对流（CFD Imported Convection）：通过与流体耦合计算时将流体中壁面的对流换热系数作用到结构上。
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