概述：

風冷式發動機在摩托車和航空飛行器中較為常見。它通過空氣循環的方式將發動機產生的熱量進行散失。金屬散熱片的結構設計增大了發動機的表面積，從而通過對流方式提升了散熱速率。本案例利用模擬技術比較了三種不同設計在散熱效率方面的差異。這有助于加深對瞬態熱分析、邊界條件(瞬態熱分析中的重要因素)以及瞬態熱分析如何幫助我們做出工程決策的理解。

目標：

增強對瞬態熱分析的理解

學習如何使用仿真來驅動工程決策

步驟：

設計(a)

1、創建一個瞬態熱分析系統。幾何體中將使用默認的結構鋼。

2、導入幾何體。設計(a)的幾何體如圖1所示，由圓柱和若干水平鰭片組成。

圖1  設計(a)的幾何結構

3、將幾何體網格化。使用“多區域”方法對鰭片進行網格化。分配全局網格尺寸為5毫米。

4、定義分析設置。定義兩步法，第一步用于將初始溫度施加至氣缸上，第二步則利用對流邊界條件對氣缸進行降溫。設計準則旨在找出50秒時的最高溫度，因此第二步的總模擬時間為51秒，而第一步的時間則為1s。

5、分配邊界條件。將圓柱體溫度設置為在0-1秒內保持在120℃，并解除此邊界條件以允許溫度變化。第二步是變化。對發動機外表面(不包括氣缸的上下面)施加對流邊界條件。對流系數設為1000W/(㎡﹒°C)以表示強制空氣。環境溫度設定為22℃。邊界條件概述見圖2。關于外表面的選擇，值得注意的是，共享表面不能用于應用對流邊界條件。更多信息請參閱附錄。

圖2 邊界條件示意圖

6、運行模擬程序并查看結果。時間51秒時的溫度分布圖如圖3(a)所示，而最大溫度歷史圖則如圖3(b)所示。可以看出，經過50秒的冷卻后，最大溫度約為28℃。

圖3(a)  冷卻50秒后的溫度分布

圖3(b)  最大溫度歷史圖

設計(b)

7、在 Workbench 中復制分析系統，并替換其幾何結構。設計幾何形狀（b）如圖 4 所示。它具有相同的鰭形結構，但鰭的數量較少。

圖4  空氣冷卻式發動機的設計（b）

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8、確定邊界條件并運行模擬。

設計(c)

9、重復步驟7-8，但使用設計(c)的幾何形狀。設計(c)幾何形狀的示意圖如圖5所示。相應的結果如圖7(a)和7(b)所示。

圖5  空氣冷卻式發動機的設計(c)

由于質量被用作評估設計的標準，因此我們需要計算出該幾何體的質量。這一信息已匯總在相應幾何體的屬性詳情中，如圖6所示。

圖6  幾何屬性

本案例比較了三種不同設計下發動機冷卻所需的時間，演示了瞬態熱分析的過程。通過模擬來尋找解決方案并推動工程決策的制定。

附錄：

鰭片和圓柱體是彼此獨立的部件，它們在共同表面上共享拓撲結構(圖7)。在ANSYS Mechanical中進行箱選操作時，它會選擇箱內所有表面，包括內表面和共享表面。共享表面無法用于對流邊界條件中，因此在執行此類操作時會出現錯誤提示。

為了高效的選擇垂直鱗設計中的所有外表面(而不是逐個點擊)，我們采用了命名選擇方法。首先，創建一個圓柱形局部坐標系(見圖8(a))，其z軸與圓柱軸對齊。其次，創建名稱選擇，并使用兩條規則選擇外層面(見圖8(b))。所選面如圖8(c)所示。

圖7  共享曲面

圖8(a)  創建一個圓柱形局部坐標系

圖8(b)  用于選擇外表面的命名規則

圖8(c)  外部表面的示意圖

圖8為創建名稱選擇的步驟

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