使用ANSYS Workbench進(jìn)行復(fù)合墻體導(dǎo)熱分析

李安民

分析視頻教程將在2023年6月28日19:30在技術(shù)鄰進(jìn)行直播，歡迎前來觀看以及和作者討論。

1. 建立穩(wěn)態(tài)熱分析

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

2.定義材料參數(shù)，本例中使用了結(jié)構(gòu)鋼和鋁。

雙擊第2行Engineering Data，在Engineering Data選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊Engineering Data Sources。在Engineering Data Sources表中選擇序號(hào)為12的Thermal Materials選項(xiàng)，然后在其下Outline of Thermal Material中選擇8號(hào)Aluminum。點(diǎn)擊B列的加號(hào)，在C列出現(xiàn)紫色的書的圖標(biāo)，表示材料在待材料冊(cè)中。點(diǎn)擊Engineering Data Sources，查看在冊(cè)的材料。最后關(guān)閉Engineering Data選項(xiàng)卡。

3.導(dǎo)入模型

右鍵點(diǎn)擊第3行Geometry，Import Geometry->Browse，在彈出的Open中選擇幾何文件，最后單擊打開按鈕導(dǎo)入，幾何模型如下圖所示：

Figure 1. Steel and Aluminum Walls

圖1 墻體中鋼材和鋁材的位置

鋁和鋼的熱傳導(dǎo)率不同，鋁為237.5W/(m?℃)，鋼材為60.5 W/(m?℃)，墻體分為三層，外側(cè)為鋼材，內(nèi)部為鋁材，大家想一下溫度變化梯度是在鋁中更大，還是在鋼材中變化更大。

4.給幾何模型賦予材料本構(gòu)

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，在其他方的Detail of “Solid”  ，Material->Assignment選擇對(duì)應(yīng)的材料。

5.默認(rèn)情況下，墻體間使用綁定解除

本例使用程序自動(dòng)生成的熱接觸——bonded contact，在Outline->Model->Connection->Contacts進(jìn)行查看，其中一組接觸如下圖所示：

Figure 2. Contact between the walls

圖2. 鋁板和鋼板之間的接觸

5.定義溫度邊界條件如下圖所示。

Outline->Model->Steady-State Thermal->Initial Temperature，在其下的Detail of “Initial Temperature”的Initial Temperature Value輸入0℃。

右鍵單擊Steady-State Thermal->insert-> Temperature，選擇如下圖所示的面，點(diǎn)擊Apply。Magnitude以表格輸入，在第二行輸入100℃。用同樣的方法定義室外的面為22℃。

Figure 3. Temperature Boundary Condition

7. 劃分模型網(wǎng)格，計(jì)算模型。

Mesh->insert->Size，其下的Detail of “Body Sizing”-Sizing中Geometry為所有3個(gè)體，在Element Size中輸入500mm。

右鍵點(diǎn)擊Outline中的Mesh->Generate Mesh，等左下角的進(jìn)度條走完，網(wǎng)格劃分如圖所示：

右鍵單擊Solution->insert->Thermal->Thermal->Temperature，添加溫度作為結(jié)果。

右鍵點(diǎn)擊Solution->Solve，等左下角的進(jìn)度條走完，選擇剛剛添加的Temperature，溫度結(jié)果如下圖所示：

Figure 4. Temperature Plot

圖4 溫度分布

8.顯示路徑上的溫度分布

使用construction geometry創(chuàng)建延墻體厚度的路徑，顯示這條路徑上的溫度，Model-> Insert->  construction geometry-> Path，如下圖所示選擇如圖所示的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

點(diǎn)擊construction geometry->Path。右鍵單擊Solution->insert->Thermal ->Temperature，在其下的Detail of “Temperature2”Scope->Scoping Method選擇Path，Path選擇剛剛生成的Path。右鍵剛剛添加的Temperature2，點(diǎn)擊Evaluate All Results，路徑溫度如下圖所示：

Figure 5. Temperature Plot

   圖5 path上的溫度分布

小結(jié)

此示例顯示了復(fù)合墻中的溫度分布。溫度梯度的斜率隨材料的變化而變化。建議對(duì)中心塊具有空氣傳導(dǎo)率的磚墻進(jìn)行模擬。兩面的溫度可以是室溫和室外溫度。這些設(shè)置將有助于關(guān)聯(lián)磚墻中的溫度分布。

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