基于ANSYS WORKBENCH的保温桶的稳态热分析

【问题描述】
一个保温桶，由4层组成。从外到内依次是：钢，铝，复合材料，铝。桶内是热水，而桶外是空气。需要确定桶壁的温度场分布。已知：桶内半径是0.1米，桶长度为0.1米，从内到外，4层厚度分别是0.01米，0.02米，0.01米，0.005米，钢，复合材料，铝的导热系数分别是60.5(瓦/米度),0.055(瓦/米度),236(瓦/米度)，水温80摄氏度，空气温度为摄氏度，空气对流系数是12.5（瓦/平方米度）.

X

（《注》该例子来自于许京荆编著的《ANSYS 13.0 WORKBENCH数值模拟技术》，2012年）
【建模分析】
1.这是一个稳态热分析问题，需要使用steady-state thermal模块。
2. 这是一个轴对称问题，只需要分析其一个径向截面，然后用2D分析的轴对称进行处理。
3.几何建模。在DM中创建四个草图，然后分别形成四个面体，再形成一个多体构件。
4.边界条件。对里层使用温度边界条件，对外层设置对流换热边界条件。
【求解过程】
1. 打开ANSYS WORKBNCH14.5。
2. 创建稳态热分析系统。

3. 设置三种材料的导热系数。
双击engineering data，打开工程数据，新创建三种材料，分别是STEEL,AL,compound,并分别设置其导热系数。

钢材的导热系数

铝的导热系数

复合材料的导热系数

创建完毕，退回到项目中。
4.创建几何模型。
双击geometry，进入到DM中。选择长度的单位是米。
在XOY面内创建四个草图。

这四个草图是四个相邻的矩形，其位置及尺寸如下图。

分别由这4个草图生成4个面。

其图形如下

将上述四个物体生成一个多体构件。

几何建模结束，存盘，退出DM.
然后设置几何体的属性是2D,表明下面准备做的是2D分析。

5.为各几何体分配材料。
双击model，进入到mechanical.
首先选中geometry，在其属性栏中设置是做轴对称分析。

然后为各个几何4体分配材料。
6.划分网格。
进行映射网格划分。

考察网格质量

可见，网格质量良好。
7.设置边界条件。
设置内层温度为80度，即热水的温度。

设置外层为对流换热。环境温度20度，对流换热系数是12.5.

8.求解。

9.后处理。
查看温度的分布

可见，在最里层及外面的两层，温度基本上均匀分布，而在复合材料层，则温度从内到外逐渐降低。由于该层是复合材料层，导热系数很小，所以阻碍了热量的传递，而此层的温度梯度最大。
查看总的热通量

可见，热通量由内向外逐步减少。