使用ANSYS Workbench进行茶壶的热力学分析
使用ANSYS Workbench进行茶壶的热力学分析
李安民
Thermal Analysis of Teapot using ANSYS Workbench
Julian Lee
摘要：使用稳态分析装满开水的茶壶的热分布和热流量，对比陶瓷材料和钢材作茶壶材料的热力学特性。使用瞬态分析模拟水降温过程，得到温度分布和热流量，瞬态分析同样使用两种材料进行对比分析。
关键字：仿真；有限元；ANSYS Workbench；热力学分析
分析视频教程将在2023年3月23日19:30在技术邻进行直播，欢迎前来观看以及和作者讨论。
本教程使用了ANSYS 2023和ANSYS2022，两个版本在本教程范围内操作完全相同。
1 稳态分析（Stead-State Thermal）
1.1 陶瓷材料（Porcelain）
1. 打开ANSYS Workbench，建立Steady State Thermal System
双击Toolbox中的Steady-State Thermal或者将其拖到Project Schematic中，如下图所示：
2. 定义钢材和陶瓷的本构模型，钢材的本构模型默认存在，从Thermal Material添加Porcelain。
双击第2行Engineering Data，在Engineering Data选项卡中点击Engineering Data Sources。在Engineering Data Sources表中选择序号为12的Thermal Materials选项，然后在其下Outline of Thermal Material中选择43号Porcelain。
陶瓷的比热容（Thermal Conductivity）为5W/(m⸱℃)，点击B列的加号，在C列出现紫色书的图标，表示材料在待用材料册中。点击Engineering Data Sources，查看在册的材料。最后关闭Engineering Data选项卡。
钢材的Thermal Conductivity 为60.5W/(m⸱℃)。关闭Engineering Data选项卡。
3. 导入几何模型，suppress一半的模型。
右键点击第3行Geometry，Import Geometry->Browse，在弹出的Open对话框中选择几何文件，最后单击Open按钮导入。
4. 给几何模型赋予材料本构，第一次分析使用陶瓷材料。
在Workbench中双击第3行Model打开Mechanical。Outline->Model->Geometry选择要赋予材料的几何体，在下方的Detail of “Solid”，Material->Assignment选择Porcelain。
5. 定义壶体和盖子之间的热接触（Thermal contact）。
本例使用程序自动生成的热接触，在Outline->Model->Connection->Contacts进行查看。
6. 如下图所示，在模型上应用相关的热边界条件。假设茶壶里的茶温度为100℃。
检查单位制为（m，kg，N），右键单击Steady-State Thermal->insert->Convection选择如下图所示的外表面，在Geometry中点击Apply按钮。
在其下的Detail of “Convection”点击Film Coefficient，在下侧的Tabular Data以表格形式输入对流对流换热系数，如下图所示：
“传热系数”的英文表达有heat transfer coefficient或film effectiveness，单词film在此处的意思是膜，传热系数不就是在界面这一层“薄膜”上的系数嘛。
右键单击Steady-State Thermal->insert-> Temperature，选择如图所示的四个面，点击Apply。Magnitude以表格输入，在第二行输入100℃，如下图所示
右键单击Steady-State Thermal->insert-> Radiation，依然选择Convection中Geometry的12个面，Emissivity输入0.1。
7. 划分模型网格，计算模型。
在Outline中选择Mesh，在其下的Detail of “Mesh”->Defaults->Element Order选择Linear，带有中间节点的单元可能会导致温度不必要的骤冷。选择所有体，右键点击Outline中的Mesh->insert->Size，其下的Detail of “Body Sizing”-Sizing中Geometry为刚刚选择的3个体，在Element Size中输入0.0002m。
右键点击Outline中的Mesh->Generate Mesh，等左下角的进度条走完，网格划分如图所示：
右键单击Solution->insert->Thermal->Temperature，添加温度作为结果。
右键点击Solution->Solve，等左下角的进度条走完，选择刚刚添加的Temperature，结果如下图所示：
选择Result选项卡Display组点击Edge下的小三角，选择No WireFrame，可以得到更清晰的结果，如下图所示：
右键单击Solution->insert->Thermal->Total Heat Flux，添加热通量结果。右击刚刚添加的Total Heat Flux，点击Evaluate All Results，热流量如下图所示：
选择Result选项卡，在Vector Display中点击Vectors，为了看的更清楚，可以点选Uniform、Grid aligned。
1.2 钢材（Steel）
回到Workbench，单击A左侧的向下的三角形，执行Duplicate，继承之前的几何模型。单击B左侧的向下的三角形，在弹出的菜单中选择rename，按照材料名称进行命名。如下图所示：
将材料改为Structural Steel，重新进行计算，平衡温度如下图所示，观察壶把处的温度比陶瓷的高了4℃。
2 瞬态分析（Transient Thermal）
分析壶里的水从100℃，下降到22℃的过程中整个壶体的温度变化。
2.1 陶瓷材料（Porcelain）
点击A（我们起名为Porcelain）左侧的三角形，在弹出的下拉菜单中选择Duplicate。
保留上游的几何模型，点击Yes，改名为Porcelain Transient，单击C左侧的三角形Replace With->Transient Thermal，如下图所示：
双击Model，打开Mechanical，Outline->Transient Thermal->Analysis Settings，在其下的Detail of “Analysis Settings”中的Step End Time设置为100s，即计算时长为100s。Auto Time Stepping 选择On，Initial Time Step设置为10s，Minimum Time Step设置为5s，Maximum Time Step设置为100s。壶体内内壁的温度从100℃降到22℃。最后计算。
陶瓷壶的最终温度分布图如下图所示，最高温度为42℃：
2.2 钢材（Steel）
和Porcelain的方法相同。钢壶的最终温度分布图如下图所示：
钢材的保温性没有陶瓷的保温性好，最高温度只有24℃。
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