使用ANSYS Workbench進行房屋隔熱分析

李安民

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

1.建立穩態熱分析

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

在Units菜單中檢查單位是否為SI標準單位制。

2.定義材料參數，材料參數如下表所示

Table 1: Material parameters summary

表1： 材料參數匯總

材料	導熱率 (W/℃/m)
膠合板(Plywood)	0.2
大理石(Marble)	1.28
玻璃(Glass)	1.4
泡沫聚苯乙烯(Styrofoam)	0.02

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29號Glass，35號marble，修改marble的導熱率Thermal Conductivity為1.28。

點擊最后一行“Click here to add a new Material”，輸入Styrofoam，從Toolbox的Thermal中將Isotropic Thermal Conductivity拖入Styrofoam，在其下的Properties of Outline Row中輸入Isotropic Thermal Conductivity為0.02 W/m/℃，Table of Properties中輸入默認溫度為22攝氏度。用同樣的方法建立Plywood，在其下的Properties of Outline Row中輸入Isotropic Thermal Conductivity為0.2 W/m/℃。最后關閉Engineering Data選項卡。

3.導入幾何模型

右鍵點擊第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入。

Figure 1. House geometry

圖1. 房屋幾何模型

第二步定義材料參數的時候，這里手動輸入，因為大部分的小伙伴應該和我是一樣沒有購買材料模型庫，如果您已經購買了材料庫，您在composite材料庫就可以找到plywood，不用自行輸入參數。

在用Workbench之前我使用的是APDL，往往還更習慣自己輸入參數，材料庫里選擇的材料往往參數過多，很多用不上，還需要刪除。我們寫論文或者報告的材料模型部分時，一般都是要有引文的，慣例是引用期刊論文為主，所以即便材料庫里有你需要的材料，如果不是很熟悉，我還是會和文獻進行核對。

4. 給模型賦予材料

在Home->Tools->Units中檢查單位是否為SI標準單位制。

給幾何模型賦予材料本構，房屋不同部位的材料使用如下圖所示，地面使用殼單元，厚度為0.05m。兩層墻均定義為膠合板。

Figure 2. Material assignment to the geometry

圖2 不同部位的材料模型

5. 定義接觸

默認情況下，軟件根據幾何關系自動建立接觸。

在Outline->Model->Connection->Contacts查看接觸，地面為殼單元，有方向，需要翻轉，設置墻-地面和門-地面的Target Shell Face為bottom，注意墻有內外兩層。

6. 劃分模型網格

選擇Outline->Model->Mesh，在其下Detail of “Mesh”中Defaults->Element Size定義整體網格尺寸為0.05m，Element Order為Linear。

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：

Workbench的網格劃分功能非常智能，智能也意味著相對其他軟件用戶的控制力下降。我和劃分其實是一個專門的模塊叫做Meshing，要想深入學習網格劃分可以去看此模塊的文檔。

7. 定義邊界條件

內墻、門和窗的熱流密度為10W/m2，在房屋外表面設置對流邊界，邊界的對流換熱系數10W/m2/℃，室外溫度為-5℃。

右鍵單擊Steady-State Thermal->insert->Convection選擇墻體門窗一共8個外表面，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中輸入10W/m2/℃，溫度輸入-5℃。

右鍵單擊Steady-State Thermal->insert->Heat Flux選擇墻體門窗一共8個內表面，在Geometry中點擊Apply按鈕。在其下的Detail of “Heat Flux”，Magnitude輸入10W/m2。

8. 求解查看結果

右鍵單擊Solution -> insert -> Thermal -> Temperature，添加溫度作為結果。右鍵點擊Solution->Solve，等待左下角的進度條走完。

使用construction geometry創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和終點。

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，點擊Evaluate All Results，路徑溫度如下圖所示：

8. 運行模擬并查看結果。

房屋的溫度分布云圖如圖3所示。我們可以看到，在給定的邊界條件下，內壁的溫度為11℃。創建穿過墻的路徑。顯示路徑上的溫度圖。我們可以看到整個墻壁的溫度呈線性下降。

Figure 3. Temperature distribution in the walls

Figure 4. Temperature distribution on path across the wall

外墻的溫度接近室外的溫度，即-5℃；室內的最大溫度大約為11℃。

墻壁、窗戶和門的溫度不同，玻璃和膠合板的熱傳導率不同，熱傳導率越高溫度梯度越小，玻璃有更大的熱傳導率，玻璃的溫度梯度就更低。

此外，門窗相比墻壁厚度更小，溫度自然更低。我們可以用一維的公式進行解釋。

9.設置保溫隔熱層

將內層材料設置為泡沫聚苯乙烯再次計算，墻體的溫度分布圖如圖5所示，延墻厚度的分布如圖6所示，可以觀察到內墻的溫度比之前高，從延墻體的分布圖可以看到泡沫層在隔熱上的重要作用。這表明了傅里葉定律，即在相同的熱通量下，較小的熱傳導率會導致較大的溫度梯度。

    

Figure 5. Temperature distribution in the walls (insulation layer included)

圖5 墻體的溫度分布（包含保溫層）

Figure 6. Temperature distribution on path across the wall (insulation layer included)

圖6 延path的溫度分布（包含隔熱層）

總結

本示例說明了對房屋進行穩態熱分析的過程。通過有和沒有保溫層的墻壁的溫度分布展現了傅里葉定律和材料熱傳導率對溫度變化的影響。

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