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问题描述：将一个温度为900摄氏度的钢球放在空气中冷却，分别查看钢球和外部空气的温度变化。 分析类型：瞬态热分析 分析平台：ANSYS Workbench 17.0 分析人：技术邻 一无所有就是打拼的理由 研究模型：自定义 一、引言 结构热分析主要包括热传导、热对流、热辐射，热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒。传热即是热量传递，凡是有温差存在的地方，必然有热量的传递。传热现象在现实生活中普遍存在，比如食物的加热，冷却，有相变存在的蒸发冷凝换热等。热分析类型主要有稳态热分析和瞬态热分析。稳态热分析中，我们只关心物体达到热平衡状态时的热力条件，而不关心达到这种状态所用的时间。在稳态热分析中，任意节点的温度不随时间的变化而变化。一般来说，在稳态热分析中所需要的唯一材料属性是热导率。在瞬态热分析中，我们只关心模型的热力状态与时间的函数关系，比如对水的加热过程。在瞬态热分析中，需要对材料赋予热导率，密度，比热容等材料属性及初始温度，求解时间和时间增量这些边界条件。在装配体的热分析中，我们还要考虑到接触区域传热，由于接触面可能存在表面粗糙度，接触压力等情况存在，导致存在接触热阻。接触面存在两种传热方式，一种是附体间的热传递，另一种是通过空隙层的热传导，但因为气体的热导率比较低，所以接触热阻不利于传热。由于钢球散热与时间有关，我们选择瞬态热分析进行钢球的散热分析。 二、分析思路及流程 在分析中，我们忽略空气的流动。先进行稳态热分析，获得瞬态热分析的初始条件，然后将其传递到瞬态热分析中；在瞬态热分析中添加空气对流换热，来求解随时间变化的温度场。分析流程如下图所示： 三、模型建立及网格划分： 由于选取模型比较简单，我们在DM中建立一个钢球，选择钢球的半径为30mm，然后在外侧包络一层空气，包络厚度选择30mm，由于模型是对称的，为了节省计算时间，减少计算量，选取1/4模型进行研究（也可以选取1/8）。由于模型较为简单，网格采用自动划分，模型及网格如下图所示： 四、边界条件施加及结果分析： 因为该问题为瞬态热分析，我们需要先进行稳态热分析获得瞬态热分析所需要的初始条件，对钢球设置初始温度为900摄氏度，空气初始温度为22摄氏度，将稳态热分析的结果作为瞬态分析的初始条件，对空气对流换热系数为10W/m2K。对瞬态热分析分为2个时间步，两个时间步分别设置为60s，因此钢球散热共计120s。 钢球在散热120s后的温度场如下图所示，从图中可以看出，钢球向空气散热120s后，钢球的最高温度为895.91摄氏度，靠近钢球侧的空气温度上升较为明显，基本接近钢球温度。离钢球越远处空气温度越低，最外侧空气最低温度为55.811摄氏度。 t=120s时温度云图 t=120s时空气温度分布 钢球散热效果图 从下图中可以看出，钢球在120s中，在每个两个时间步里散热量基本一致，钢球散热处于平稳状态，即每秒中的散热量基本相同。从空气外侧空气温度上升图表中可以看出，空气在前25秒内温度急剧上升到55.905摄氏度。由于对流的存在，空气温度基本保持不变，钢球温度随时间的增加而降低。 钢球温度随时间下降过程 空气最外侧温度随时间上升 五、总结 本例通过 ANSYS workbench 讲解了钢球瞬态散热问题的方法和具体应用。在现实生活中，关于热的问题无处不在，比如我们烧热水，对事物的加热和冷却，保温等，复杂的热分析问题比如沸腾及冷凝等，涉及到相变，更为复杂。在这个例子中，我们需要注意的是：在进行瞬态热分析时，一般情况下要先进行稳态热分析，以获取瞬态分析的初始天剑，然后通过瞬态热分析的分析设置及边界条件设置，进行多载荷步的求解。 |
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