保温桶的对流传热
一、问题描述
4 层保温桶，最外层为钢，次外层为铝，中间为隔热的树脂基复合材料，里层为铝，筒内为热水，筒外为空气，需确定筒壁的温度场分布。
【保温桶模型】
已知：筒内半径 0.1m、 筒长度 0.2m、 4 层厚度为 0.01m、 0.02m、 0.01m、 0.005m， 钢、复合材料及铝导热系数 70、 0.055、 236w/m.℃， 水温度 80 ℃，空气温度为 20 ℃ ，空气对流系数 12.5 w/m2.℃。
二、 问题分析
该例子属于稳态传热问题，由于几何结构，载荷及边界条件的轴对称， 可取圆柱体任意圆周角的一部分，这里取 45 度。
1. 选择稳态热分析系统。
2. 确定材料参数：稳态传热问题，仅输入热传导系数。
3. 【DesignMdoler】建立几何模型：考虑对称性，建立 1/8 圆柱体。
4. 进入【Mechanical】分析程序。
5. 网格划分：采用系统默认网格。
6. 施加边界条件：圆柱体对称面无热量交换，为绝热边界，系统默认无需输入， 圆柱体其它外表面输入温度。
7. 设置需要的结果：温度分布。
8. 求解及结果显示。
三、 数值模拟过程
1、选择稳态热分析系统（图 5-24）
1) 工程图解中调入稳态热分析系统 Steady→State Thermal
2) 工程命名 Attemperator Thermal analysis
3) 保存工程名为 Steady-State Thermal
2、确定材料参数
1) 编辑工程数据模型，添加材料的热传导率，右击鼠标选择【 Engineering Data】-【Edit】见下图2) 工程数据属性中增加新材料：【Outline of Schematic A2： Engineering Data】→【Click here to add new material】输入材料名称 Aluminium.
3) 选择【Thermal】→【Isotropic Thermal Conductivity】
4) 选择钢材料属性【Properties of Outline Row 3: Aluminium.】→【Isotropic Thermal Conductivity】
5) 出现【Table of Properties Row 2: Thermal Conductivity】材料属性表，双击鼠标，点击每个区域输入材料属性参数：温度 20℃
，热传导率 236w/m.℃。
6) 参数输完后，工程数据表显示热传导率-温度图表。
7) 同样输入树脂基复合材料热传导率 0.055w/m.℃。
8) 同样输入钢材料热传导率 70w/m.℃。3、 DM 建立几何模型
1) 选择【Geometry】→【New Geometry】，出现【DesignModeler】程序窗口，选择尺寸单位【Meter】。
2) 【DesignModeler】中在工作平面 XYPlane 创建圆柱体截面草图。
(1) 选择【Sketching】
(2) 选择【Draw】→【Rectangle】
(3) 在图形区坐标原点处点击鼠标左键，拖放鼠标画矩形。
(4) 选择尺寸标注【Dimensions】
(5) 图形区中选择矩形边线，拖放鼠标显示铝层厚度尺寸 H1，高度尺寸 V2，内半径尺寸 L3。
(6) 设置尺寸【Details View】→【Dimensions】→【H1】 =0.01m，【V2】 =0.2m，【L3】=0.1m。
(9) 工作平面内创建第 2 个草图：选择新草图按钮。
(11) 新草图中绘制第 2 个矩形：选择标签【Sketching】，选择【Draw】→【Rectangle】，点击图形区第 1 个矩形外边线的一点，拖放鼠标画第 2 个矩形，选择尺寸标注【Dimensions】，图形区中选择第 2 个矩形边线，拖放鼠标显示复合材料层厚度尺寸 H4，设置尺寸【Details View】→【Dimensions】→【H4】 =0.02m，见图
(12) 和创建第 2 个草图一样，创建草图【Sketch3】和【Sketch4】
(13) 分别在草图【Sketch3】上绘制次外层矩形，厚度为 0.01m，在草图【Sketch4】上绘制外层矩形，厚度为 0.005m，如图
(1) 选择【Modeling】模式，选择矩形草图【XYPlane】→【Sketch1】
(4) 确认旋转轴：【Details View】→【Details of Revolve1】 (5) 设置旋转角度：【Details View】 →【Details of Revolve1
(15) 同样创建冰冻体【Revolve3】 Revolve4】
(16) 为方便，对创建的 4 个体按材料重新命名，内层 aluminium1，中间层 resin，次外层 aluminium1，最外层 steel
(18) 图形区，点击鼠标右键，选择所有实体【 Select All】
(19) 4 个体合成一个零件：【Tools】→【Form New Part】，见图
切换回 Workbench 窗口，选择【Setup】→【Edit】，进入【Mechanical】分析环境。
2) 分配树脂复合材料：【Details of ―resin‖】→【Material】→【Assignment】=resin composite。
3) 同样， 选择体【Model】 →【Geometry】 →【Part】 →【aluminium2】。
4) 分配铝材料：【Details of ―aluminium2‖】 →【Material】 →【Assignment】 = aluminium
5) 同样， 选择体【Model】 →【Geometry】 →【Part】 →【steel】。
6) 分配铝材料：【Details of ―steel‖】 →【Material】 →【Assignment】 = steel。
7) 同样， 选择体【Model】 →【Geometry】 →【Part】 →【aluminium1】分配铝材料：【Detailsof ―aluminium1‖】 →【Material】 →【Assignment】 = aluminium。 6、 网格划分
1) 选择【Mesh】 【Generate Mesh】2) 图形区显示程序自动生成的六面体网格模型。
【划分网格】
7、施加边界条件
施加内层表面温度 80℃：
1) 选择【Steady-State Thermal（A5）】
2) 工具栏中选择【Temperature】
3) 图形区选取内层表面
4) 确认选择：【Details of “Temperature”】 →【Scope】 →【Geometry】 =Apply 选中 1 Face
5) 设置温度：【Details of “Temperature”】 →【Definiton】 →【Magnitude】 =80℃。
【施加内层表面温度】
6) 工具栏中选择【Convection】
7) 图形区选取外表面
8) 确认选择：【Details of “Convection”】 →【Scope】 →【Geometry】 =Apply 选中 1 Face
9) 设置对流换热系数：【Details of “Convection”】 →【Definiton】 →【Film Coefficient】=12.5W/m2℃
10) 设置环境温度：【Details of “Temperature”】-【Definiton】-【Ambient Temperature】=0℃。
8、设置需要的结果
1) 选择【Solution（A6）】
2) 工具栏中选择【Thermal】 -【Temperature】运行【Solve】求解，选【Solution Information】时，可以从输出工作表看求解状态，求解结束后可以显示结果：
1) 导航树选择【Solutionl】 -【Temperature】，
2) 图形区显示稳态热传导计算得到的温度变化，温度从内向外逐步减少。
3) 动画演示：图形区下方选择【play】播放按钮，可以动画演示温度的变化。
4) 温度详细信息窗口显示最小温度值 29.22℃ 和最大温度值 80℃。
