VM193 Adaptive analysis of two-dimensional heat transfer with
convection
第四章 瞬态传热分析
一、瞬态传热分析的定义
瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。
瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷～时间曲线分为载荷步。载荷～时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步，如下图所示。
对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。
二、瞬态热分析中的单元及命令
瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同。要了解每个单元的详细说明，请参阅《ANSYS Element Reference Guide》。要了解每个命令的详细功能，请参阅《ANSYS Command Reference Guide》。 三、ANSYS 瞬态热分析的主要步骤
? ? ? 四、建模
? ? ? ? ? ?
确定jobname、title、units, 进入PREP7； 定义单元类型并设置选项； 如果需要，定义单元实常数；
定义材料热性能：一般瞬态热分析要定义导热系数、密度及比热； 建立几何模型； 对几何模型划分网格。 建模 加载求解 后处理
关于建模及划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》。 五、加载求解
1、定义分析类型
?
如果第一次进行分析，或重新进行分析
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis>Transient Command: ANTYPE,TRANSIENT,NEW
? 如果接着上次的分析继续进行（例如增加其它载荷）
GUI: Main Menu>Solution>Analysis Type>Restart Command: ANTYPE,TRANSIENT,REST
2、获得瞬态热分析的初始条件
①、定义均匀温度场
如果已知模型的起始温度是均匀的，可设定所有节点初始温度
Command: TUNIF
GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Uniform Temp
如果不在对话框中输入数据，则默认为参考温度，参考温度的值默认为零，但可通过如下方法设定参考温度：
Command: TREF
GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Settings>Reference Temp
注意：设定均匀的初始温度，与如下的设定节点的温度（自由度）不同
Command: D
GUI: Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal->Temperature>On Nodes
初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程，除非通过下列方法删除此约束：
Command: DDELE
GUI: Main Menu> Solution>-Loads->Delete>-Thermal-Temperature>On Nodes
②、设定非均匀的初始温度
在瞬态热分析中，节点温度可以设定为不同的值：
Command: IC
GUI: Main Menu> Solution>Loads>Apply>-Initial Condit'n>Define
如果初始温度场是不均匀的且又是未知的，就必须首先作稳态热分析确定初始条件：
? ?
设定载荷（如已知的温度、热对流等） 将时间积分设置为OFF：
Command: TIMINT, OFF
GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time Integration
? 设定一个只有一个子步的，时间很小的载荷步（例如0.001）：
Command: TIME
GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps
? 写入载荷步文件：
Command: LSWRITE
GUI: Main Menu> Preprocessor>Loads>Write LS File
或先求解：
Command: SOLVE
GUI: Main Menu> Solution>Solve>Current LS
注意：在第二载荷步中，要删去所有设定的温度，除非这些节点的温度在瞬态分析与稳态分析相同。
3、设定载荷步选项
①、普通选项
?
时间：本选项设定每一载荷步结束时的时间：
Command: TIME
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts-Time/Frequenc>Time and Substps
?
每个载荷步的载荷子步数，或时间增量
对于非线性分析，每个载荷步需要多个载荷子步。时间步长的大小关系到计算的精度。步长越小，计算精度越高，同时计算的时间越长。根据线性传导热传递，可以按如下公式估计初始时间步长：
其中?为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度，?为导温系数，它等于导热系数除以密度与比热的乘积（
??k?c)。
Command: NSUBST or DELTIM
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
如果载荷在这个载荷步是恒定的，需要设为阶越选项；如果载荷值随时间线性变化，则要设定为渐变选项：
Command: KBC
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
②、非线性选项
?
迭代次数：每个子步默认的次数为25，这对大多数非线性热分析已经足够。
Command: NEQIT
GUI: Main Menu> Solution>-Load step opts>Nonlinear>Equilibrium Iter
?
自动时间步长：本选项为ON时，在求解过程中将自动调整时间步长。
Command: AUTOTS
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time and Substps
?
时间积分效果：如果将此选项设定为OFF，将进行稳态热分析。
Command: TIMINT
GUI: Main Menu> Solution>-Load Step Opts->Time/Frequenc>Time Integration
③、输出选项 ?
控制打印输出：本选项可将任何结果数据输出到*.out 文件中
Command: OUTPR
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Output Ctrls>Solu Printout
? 控制结果文件：控制*.rth的内容
Command: OUTRES
GUI: Main Menu>Solution>-Load Step Opts->Output Ctrls>DB/Results File
?、存盘求解
六、后处理
ANSYS提供两种后处理方式： ?
POST1，可以对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理；
Command: POST1
GUI: Main Menu>General Postproc.
? POST26，可以对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。
Command: POST26
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc
1、用POST1进行后处理 ?
进入POST1后，可以读出某一时间点的结果：
Command: SET
GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Time/Freq
如果设定的时间点不在任何一个子步的时间点上，ANSYS会进行线性插值。 ?
此外还可以读出某一载荷步的结果：
GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step
然后就可以采用与稳态热分析类似的方法，对结果进行彩色云图显示、矢量图显示、打印列表等后处理。 2、用POST26进行后处理 ?
首先要定义变量：
Command: NSOL or ESOL or RFORCE
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Define Variables
? 然后就可以绘制这些变量随时间变化的曲线：
Command: PLVAR
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>Graph Variables
或列表输出：
Command: PRVAR
GUI: Main Menu>TimeHist Postproc>List Variables
此外，POST26还提供许多其它功能，如对变量进行数学操作等，请参阅《ANSYS Basic Analysis Procedures Guide》
七、相变问题
ANSYS热分析最强大的功能之一就是可以分析相变问题，例如凝固或熔化等。含有相变问题的热分析是一个非线性的瞬态的问题： ?
相变问题需要考虑熔融潜热，即在相变过程吸收或释放的热量。ANSYS通过定义材料的焓随温度变化来考虑熔融潜热（如图所示）。 焓的单位是J/m3，是密度与比热的乘积对温度的积分： ? ?
求解相变问题，应当设定足够小的时间步长，并将自动时间步长设置为ON； 选用低阶的热单元，例如PLANE55或SOLID70。如果必须选用高阶单元，请将单元选项KEYOPT(1)设置为1:
Command: keyopt(1)=1
GUI: Main Menu>Prepocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options>-Specific heat matrix->Diagonalized
? 在设定瞬态积分参数时，请将THETA值设置为1(默认为0.5):
Command: TINTP GUI:
Main
Menu>
Solution>-Load
and
Step
Opts->Time/Frequence>Time
intergration>THETA
? 线性搜索将有助于加速相变问题的求解。
Command: LNSRCH
GUI: Main Menu>Solution>-Load and Step Opts->Nonlinear>Line Search
实例1:
一个30公斤重、温度为70℃的铜块,以及一个20公斤重、温度为80℃的铁块，突然放入温度为20℃、盛满了300升水的、完全绝热的水箱中,如图所示。过了一个小时，求铜块与铁块的最高温度(假设忽略水的流动)。
材料热物理性能如下: 热性能 单位制 铜 383 导热系数 W/m℃ Kg/m3 8889 密度 390 比热 J/kg℃ 以下列出log文件及菜单操作说明 /filename,transient1 /title, Thermal Transient Exercise 1 !进入前处理 /prep7 et,1,plane77 ! 定义单元类型 mp,kxx,1,383 ! 定义材料热性能参数 mp,dens,1,8889 !1～铜，2～铁，3～水 mp,c,1,390 mp,kxx,2,70 mp,dens,2,7837 mp,c,2,448 mp,kxx,3,0.61 mp,dens,3,996 mp,c,3,4185
rectnag,0,0.6,0,0.5 !创建几何实体 rectang,0.15,0.225,0.225,0.27
rectang,0.6-0.2-0.058,0.6-0.2,0.225,0.225+0.044 aovlap,all !布尔操作 /pnum,area,1 aplot
铁 70 7833 448 水 .61 996 4185 aatt,1,1,1 !划分网格 eshape,2 esize,0.02 amesh,2 aatt,2,1,1 amesh,3 aatt,3,1,1 eshape,3 esize,0.05 amesh,4 /pnum,mat,1 eplot finish
!加载求解 /solu antype,trans timint,off !先作稳态分析,确定初始条件 time,0.01 !设定只有一个子步的时间很小的载荷步 deltim,0.01 esel,s,mat,,3 nsle,s
d,all,temp,20 esel,s,mat,,2 nsle,s
d,all,temp,80 esel,s,mat,,1 nsle,s
d,all,temp,70 allsel solve !得到初始温度分布 time,3600 !进行瞬态分析 timint,on !打开时间积分 deltim,26,2,200 !设置时间步长，最大及最小时间步长 autots,on !打开自动时间步长 ddelet,all,temp !删除稳态分析中定义的节点温度 outres,all,1 !将每个子步的值写入数据库文件 solve finish save
!进入POST26后处理 /post26 solu,2,dtime,,dtime !2～每一子步采用的时间步长 nsol,3,node(0.1875,0.2475,0),temp,,T_Copper !3～铜块的中心点 nsol,4,node(0.371,0.247,0),temp,,T_Iron !4～铁块的中心点 nsol,5,node(30,0,0),temp,,T_H2O_Bot !5～水箱的底部 nsol,6,node(30,50,0),temp,,T_H2O_Top !6～水箱的顶部 nsol,7,node(0,25,0),temp,,T_H2O_Left !7～水箱的左部 nsol,8,node(60,25,0),temp,,T_H2O_Right !8～水箱的右部 Plvar,2
plvar,3,4,5,6,7,8 finish
!进入POST1后处理 /post1 !设置为最后一个载荷子步 set,last
esel,s,mat,,1 nsle,s
plnsol,temp