使用ANSYS Workbench進行茶壺的熱力學分析

李安民

Thermal Analysis of Teapot using ANSYS Workbench

Julian Lee

摘要：使用穩態分析裝滿開水的茶壺的熱分布和熱流量，對比陶瓷材料和鋼材作茶壺材料的熱力學特性。使用瞬態分析模擬水降溫過程，得到溫度分布和熱流量，瞬態分析同樣使用兩種材料進行對比分析。

關鍵字：仿真；有限元；ANSYS Workbench；熱力學分析

分析視頻教程將在2023年3月23日19:30在技術鄰進行直播，歡迎前來觀看以及和作者討論。

本教程使用了ANSYS 2023和ANSYS2022，兩個版本在本教程范圍內操作完全相同。

1 穩態分析（Stead-State Thermal）

1.1 陶瓷材料（Porcelain）

1. 打開ANSYS Workbench，建立Steady State Thermal System

雙擊Toolbox中的Steady-State Thermal或者將其拖到Project Schematic中，如下圖所示：

2. 定義鋼材和陶瓷的本構模型，鋼材的本構模型默認存在，從Thermal Material添加Porcelain。

雙擊第2行Engineering Data，在Engineering Data選項卡中點擊Engineering Data Sources。在Engineering Data Sources表中選擇序號為12的Thermal Materials選項，然后在其下Outline of Thermal Material中選擇43號Porcelain。

陶瓷的比熱容（Thermal Conductivity）為5W/(m?℃)，點擊B列的加號，在C列出現紫色書的圖標，表示材料在待用材料冊中。點擊Engineering Data Sources，查看在冊的材料。最后關閉Engineering Data選項卡。

鋼材的Thermal Conductivity 為60.5W/(m?℃)。關閉Engineering Data選項卡。

3. 導入幾何模型，suppress一半的模型。

右鍵點擊第3行Geometry，Import Geometry->Browse，在彈出的Open對話框中選擇幾何文件，最后單擊Open按鈕導入。

4. 給幾何模型賦予材料本構，第一次分析使用陶瓷材料。

在Workbench中雙擊第3行Model打開Mechanical。Outline->Model->Geometry選擇要賦予材料的幾何體，在下方的Detail of “Solid”，Material->Assignment選擇Porcelain。

5. 定義壺體和蓋子之間的熱接觸（Thermal contact）。

本例使用程序自動生成的熱接觸，在Outline->Model->Connection->Contacts進行查看。

6. 如下圖所示，在模型上應用相關的熱邊界條件。假設茶壺里的茶溫度為100℃。

檢查單位制為（m，kg，N），右鍵單擊Steady-State Thermal->insert->Convection選擇如下圖所示的外表面，在Geometry中點擊Apply按鈕。

在其下的Detail of “Convection”點擊Film Coefficient，在下側的Tabular Data以表格形式輸入對流對流換熱系數，如下圖所示：

“傳熱系數”的英文表達有heat transfer coefficient或film effectiveness，單詞film在此處的意思是膜，傳熱系數不就是在界面這一層“薄膜”上的系數嘛。

右鍵單擊Steady-State Thermal->insert-> Temperature，選擇如圖所示的四個面，點擊Apply。Magnitude以表格輸入，在第二行輸入100℃，如下圖所示

右鍵單擊Steady-State Thermal->insert-> Radiation，依然選擇Convection中Geometry的12個面，Emissivity輸入0.1。

7. 劃分模型網格，計算模型。

在Outline中選擇Mesh，在其下的Detail of “Mesh”->Defaults->Element Order選擇Linear，帶有中間節點的單元可能會導致溫度不必要的驟冷。選擇所有體，右鍵點擊Outline中的Mesh->insert->Size，其下的Detail of “Body Sizing”-Sizing中Geometry為剛剛選擇的3個體，在Element Size中輸入0.0002m。

右鍵點擊Outline中的Mesh->Generate Mesh，等左下角的進度條走完，網格劃分如圖所示：

右鍵單擊Solution->insert->Thermal->Temperature，添加溫度作為結果。

右鍵點擊Solution->Solve，等左下角的進度條走完，選擇剛剛添加的Temperature，結果如下圖所示：

選擇Result選項卡Display組點擊Edge下的小三角，選擇No WireFrame，可以得到更清晰的結果，如下圖所示：

右鍵單擊Solution->insert->Thermal->Total Heat Flux，添加熱通量結果。右擊剛剛添加的Total Heat Flux，點擊Evaluate All Results，熱流量如下圖所示：

選擇Result選項卡，在Vector Display中點擊Vectors，為了看的更清楚，可以點選Uniform、Grid aligned。

1.2 鋼材（Steel）

回到Workbench，單擊A左側的向下的三角形，執行Duplicate，繼承之前的幾何模型。單擊B左側的向下的三角形，在彈出的菜單中選擇rename，按照材料名稱進行命名。如下圖所示：

將材料改為Structural Steel，重新進行計算，平衡溫度如下圖所示，觀察壺把處的溫度比陶瓷的高了4℃。

2 瞬態分析（Transient Thermal）

分析壺里的水從100℃，下降到22℃的過程中整個壺體的溫度變化。

2.1 陶瓷材料（Porcelain）

點擊A（我們起名為Porcelain）左側的三角形，在彈出的下拉菜單中選擇Duplicate。

保留上游的幾何模型，點擊Yes，改名為Porcelain Transient，單擊C左側的三角形Replace With->Transient Thermal，如下圖所示：

雙擊Model，打開Mechanical，Outline->Transient Thermal->Analysis Settings，在其下的Detail of “Analysis Settings”中的Step End Time設置為100s，即計算時長為100s。Auto Time Stepping 選擇On，Initial Time Step設置為10s，Minimum Time Step設置為5s，Maximum Time Step設置為100s。壺體內內壁的溫度從100℃降到22℃。最后計算。

陶瓷壺的最終溫度分布圖如下圖所示，最高溫度為42℃：

2.2 鋼材（Steel）

和Porcelain的方法相同。鋼壺的最終溫度分布圖如下圖所示：

鋼材的保溫性沒有陶瓷的保溫性好，最高溫度只有24℃。

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