水杯模型温度分布演示热分析案例
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了使用ANSYS WORKBENCH 14.0进行稳态热分析的全过程，包括设定传热系数荷载、求解及后处理步骤。通过加载膜传热系数、确认参数后求解，并展示了温度、热流量等后处理结果。特别提到了切片功能，可方便查看模型内部实体的温度分布。最终，通过旋转和删除切片等操作，展示了模型的多个视角，并完成了项目文件的保存和退出。此教程由刘笑天撰写，旨在分享热分析的专业知识。
通过对杯子模型加载温度荷载来分析出其温度分布状况，这个案例是使用ANSYS WORKBENCH 热分析模块功能进行演示。
1.5.1案例介绍
此案了使用一个铜合金材料的水杯模型，在内表面施加100℃的温度载荷在外表面施加对流传热系数来模拟一下当水杯装满热水时候的温度以及热流分布状况以演示AMSYS WORKBENCH 热分析模块的基本操作过程。
1.5.2启动Workbench并建立分析项目
(1) 首先打开ANSYS WORKBENCH 14.0。双击Toolbox（工具箱）→Analysis System（分析系统）→Steady-State Therma（热分析模块）打开，如图-1所示。
1.5.3定义材料参数
（1）双击打开A2项目（Engineering Data）。
（2）打开后在菜单栏中点击
图标。然后在Engineering Data Sources项目中单击A3项General Materials（一般材料）→单击Outline of General Materials中的A7项 Copper Alloy（铜合金）中的B7项的
图标来选择上此材料。
（3）材料选择完成后单击
（回到项目管理区）图标。
1.5.4导入模型
（1）双击项目A3项 Geometry（模型）进入DM模块来导入我们需要分析的模型。如图-3所示。
（2）单击File（文件）→Import External Geometry File（导入模型文件）。如图-5所示。
（3）找到模型文件单击选择后单击“打开”按钮。如图-6所示。
图-6 打开模型
图-7 划分网格
1.5.5划分网格
（1）双击项目文件A4项 Model（网格）。如图-7所示。打开的模型如图-8所示。
图-8 杯子的模型
图-9 刷新网格
（2）我们先使用程序自动划分网格，通过查看网格质量再决定是否进行网格控制。单击Outline（分析树）→Mesh（网格）→单击Update（刷新网格）。如图-9所示。
（3）稍等几分钟后程序完成了网格的划分。如图-10所示。通过观察可知网格较为粗大且不够规则，这样就需要进行适当的网格控制操作。
图-10 自动划分的网格
图-11 网格控制
（4）单击Details of “Mesh”（网格的详细信息）→在Use Advanced Size Fu（使用高级选项）中单击第二项的On：Proximity And Curvature（临近以及曲率）选项。如图-11所示。
（5）再次单击
（刷新网格）按钮。
注意：虽然说对于曲面类型模型此网格控制会生成较好的网格，但也会耗费大量时间并且生成的网格数量也远远大于自动划分（有时会多10倍）。如计算机配置不够或模型过于复杂，不建议经常使用此方法。刷新后的网格如图-12所示。
图-12 刷新后的网格
图-13 网格统计
（6）继续查看Details of “Mesh”（网格的详细信息）在其最下面的Statistics（统计）中可以看出节点数量为884310个，单元数为578823个。如图-13所示。
1.5.6定义荷载
（1）首先在杯子内表面定义100℃的表面温度来模拟杯子装满热水时候的温度荷载。单击
Steady-State Thermal（稳态热分析）A5→单击Temperature（温度）→回到模型空间按住键盘上的Ctrl键然后鼠标分别单击杯子内部的所有表面，直到全部需要添加温度荷载的表面都被选成绿色为止。然后回到Details of “Temperature”（温度荷载的详细信息）在Magnitude（数量）后输入100。→然后单击Geometry（模型）旁边的Apply（确定）。完成对内表面的定义。如图-14所示。图-15标示了当温度荷载设定完毕后的情况。模型红色面为设定了100℃的面。
图-14 加载内部温度
图-15 显示定义面
（2）单击Convection（传热）→用同上方法再选择杯子外部的全部面→在Details of “Convection”（传热的详细信息）里面Film Coefficient（膜传热系数）输入0.02W/mm2来模拟控制在自然对流时候的外表面对流膜传热系数。如图-16所示。
注意：输入的0.02W/mm2为粗略估计值，实际空气侧自然对流膜传热系数一般而言在0.01~0.1 W/mm2之间，具体问题需要参考《传热学》等资料具体计算。
然后单击Apply（确定）按钮。
图-16 加载膜传热系数
图-17 加载完毕
（3）图-17显示了设定完传热系数荷载后的模型，其中红**域为被定义的面。
1.5.7求解以后处理
（1）确认输入参数都正确后单击
（求解）按钮，进行此次稳态热分析的求解。
注意：稳态热分析中由于需要运算的参数相对较少，我们可以分析比其他模块分析项目更多的网格或者说同样网格，热分析所耗费的时间更少。
（2）结果后处理。单击Thermal（热分析）→分别单击Temperature（温度）以及Total Heat Flux（全部的热流量）。如图-18所示。然后单击
（求解）按钮。稍等几分钟。
图-18 选择后处理项目
图-19 热流结果
（3）图-19显示了热流的结果。根据结果显示在杯子外延100℃与外界热交换膜传热系数交接的地方是热流最大区域，最大值为15.61W/mm2。
（4）图-20显示了杯子的温度分布状况。可以看到杯子外部中间附近的温度在70度左右。这说明如果这时候我们用手握住杯子还是非常烫手的。
图-20 温度分布结果
图-21 总用时
（5）单击Worksheet（数据表）拉到最下面可以看见在Elapsed Time（总用时）是175秒。一个57万网格的热分析仅仅用了3分钟就完成了分析，如果这是用样网格的静力分析也许需要半个小时。
（6）这里介绍一下以前没有介绍过的切片功能。其在后处理中可以方便的查看模型一小部分的结果。
在程序界面的最下方，单击Section Planes（切割面）图标。如图-22所示。
图-22 切割面图标
图-23 选择坐标轴
（7）为了更好的显示切片功能，我们先尝试将模型从中间切开，查看模型内部实体的温度分布状况。
回到模型空间在右下方的系统坐标轴上单击绿色的Y轴标志。如图-23所示。
（8）模型旋转过来后如图-24所示。首先单击切面图表然后在模型左边中间位置单击鼠标并向右方拖动鼠标，这时程序会自动出现切割线当切割线长度超过模型杯口的时候松开鼠标。
注意：设定切割面的时候不同的切割方向模型被保留的部分也是不一样的，像此次操作向右切割保留的是切线相对右边的部分的模型。
图-24 设定切割面
图-25 设定切割深度
（9）图-25显示了切割后的模型。这时在切线垂直位置会自动出现一根短线，其中间有个红色的方块，用鼠标单击其红色方块上下拖动我们可以设定切割的深度，在满意后放开鼠标完成切片操作。
（9）旋转坐标。单击系统坐标轴中间的青色小球就可以将模型旋转到ISO（国际标准）显示模式。如图-26所示。
图-26 旋转方向
图-27 旋转后的模型
（10）图-27显示了旋转后的模型。此时如果鼠标接近切面位置也会再次出现调整切面深度的红框。
（11）我们也可以删除剖切线。单击Section Planes（切割面）下面的（Slice Plane）切割面然后单击上面的红叉。如图-28所示。
图-28删除切面
图-29 删除切片后的模型
（12）图-29显示了删除掉剖切线后的ISO视角的模型。
1.5.8保存并退出
（1）单击File（文件）→Save Project（保存项目文件）→Close Mechanical（关闭机械设计模块）。如图-30所示。
图-30 保存项目文件
图-31 退出程序
（2）回到项目管理区。单击File（文件）→Save（保存）→Exit（退出）。保存项目文件并退出ANSYS WORKBENCH 14.0 。完成此次热分析。如图-31所示。
作者：刘笑天，仿真秀科普作者。
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