​​来源：技术邻

作者：张宝库

问题描述：将一个温度为900摄氏度的钢球放在空气中冷却，分别查看钢球和外部空气的温度变化。

分析类型：瞬态热分析

分析平台：ANSYS Workbench 17.0

分析人：技术邻 一无所有就是打拼的理由

研究模型：自定义

     一、引言

          结构热分析主要包括热传导、热对流、热辐射，热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒。传热即是热量传递，凡是有温差存在的地方，必然有热量的传递。传热现象在现实生活中普遍存在，比如食物的加热，冷却，有相变存在的蒸发冷凝换热等。热分析类型主要有稳态热分析和瞬态热分析。稳态热分析中，我们只关心物体达到热平衡状态时的热力条件，而不关心达到这种状态所用的时间。在稳态热分析中，任意节点的温度不随时间的变化而变化。一般来说，在稳态热分析中所需要的唯一材料属性是热导率。在瞬态热分析中，我们只关心模型的热力状态与时间的函数关系，比如对水的加热过程。在瞬态热分析中，需要对材料赋予热导率，密度，比热容等材料属性及初始温度，求解时间和时间增量这些边界条件。在装配体的热分析中，我们还要考虑到接触区域传热，由于接触面可能存在表面粗糙度，接触压力等情况存在，导致存在接触热阻。接触面存在两种传热方式，一种是附体间的热传递，另一种是通过空隙层的热传导，但因为气体的热导率比较低，所以接触热阻不利于传热。由于钢球散热与时间有关，我们选择瞬态热分析进行钢球的散热分析。

    二、分析思路及流程

          在分析中，我们忽略空气的流动。先进行稳态热分析，获得瞬态热分析的初始条件，然后将其传递到瞬态热分析中；在瞬态热分析中添加空气对流换热，来求解随时间变化的温度场。分析流程如下图所示：

blob.png

    三、模型建立及网格划分：

          由于选取模型比较简单，我们在DM中建立一个钢球，选择钢球的半径为30mm，然后在外侧包络一层空气，包络厚度选择30mm，由于模型是对称的，为了节省计算时间，减少计算量，选取1/4模型进行研究（也可以选取1/8）。由于模型较为简单，网格采用自动划分，模型及网格如下图所示：

模型.png

2.png

     四、边界条件施加及结果分析：

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温度分布云图.png

t=120s时温度云图

空气分布.png

t=120s时空气温度分布

散热.gif

钢球散热效果图

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blob.png

钢球温度随时间下降过程

空气温度上升.png

空气最外侧温度随时间上升

    五、总结

        本例通过 ANSYS workbench 讲解了钢球瞬态散热问题的方法和具体应用。在现实生活中，关于热的问题无处不在，比如我们烧热水，对事物的加热和冷却，保温等，复杂的热分析问题比如沸腾及冷凝等，涉及到相变，更为复杂。在这个例子中，我们需要注意的是：在进行瞬态热分析时，一般情况下要先进行稳态热分析，以获取瞬态分析的初始天剑，然后通过瞬态热分析的分析设置及边界条件设置，进行多载荷步的求解。

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