基于ANSYS的双层不锈钢水壶温度场模拟与验证

舒 俊，陈少克，周 军

(汕头大学 工学院 机械电子工程系，汕头 515063)

0 引言

CAE即计算机辅助工程，贯穿于从产品开发到样品检测的整个生产过程。CAE的产生适应生产实践发展的需要[1,2]。近年来CAE有了很大程度的发展，被广泛的运用于汽车行业、模具制造业以及航空航天等等重要领域[3～6]。其中，ANSYS软件就是最常用的CAE分析软件之一，ANSYS是一个大型的通用有限元分析软件，可以进行应力分析、电磁场分析、流体分析、耦合场分析和热分析等多种物力场分析，并具有强大的前后处理功能[7,8]。热分析是ANSYS软件中的重要模块，ANSYS热分析技术是基于能量守恒原理的热平衡方程，利用有限元的原理来解析温度以及其它热物理参数[9,10]。

不锈钢电水壶的传热过程涉及传热学，是一个较复杂的过程。此过程中涉及了热传导、辐射以及对流三种热量散失传递方式。本文中采用广东省揭阳市某厂家生产的某一型号的双层不锈钢球形电水壶为实际研究模型，利用ANSYS软件进行传热分析。并利用此水壶做实验，利用红外测温仪测量温度。进行有限元仿真模拟结果有效性的验证。流程如图1所示。

图1 传热仿真流程图

1 传热分析

1.1 几何模型

本文中采用的双层不锈钢球形电水壶的壶身采用的是304不锈钢材料加工而成。不锈钢导热系数为25W/（m·K），与20℃空气之间的对流系数为10W/（m2·℃）；空气间层的导热系数为0.033W/（m·K）。双层不锈钢球形水壶的内径为82.6mm，外径为86mm，不锈钢壁厚为0.6mm，空气间层平均厚度为2.2mm。图2为Pro/E中建立的双层不锈钢电水壶的三维实体模型。

图2 三维实体模型

1.2 分析与简化假设

双层不锈钢电水壶在实用过程中，壶体内胆装有沸水，整体温度由内往外扩散。为了方便有限元分析，对电水壶传热过程进行如下简化与假设：

1）由水壶的三维模型可以看出，水壶为对称图形。因此，在此假设水壶沿圆周方向的传热表现为各向同性。由水壶的各向同性，将水壶简化为2维传热过程，同时截取水壶靠近横向轴向部分进行有限元分析。

2）忽略水壶底部其他零部件对整体传热过程的影响。总体假设水壶温度仅沿壁厚方向变化。

3）热量传导过程中温度变化范围不大。因此，假设材料导热系数等热物理参数不随温度与时间变化。

4）热水温度相比辐射传热的一般温度范围较低，热辐射在水壶传热过程中占比小。因此不考虑辐射换热边界条件对分析产生的影响。

1.3 传热机理

依据上述假设条件，不锈钢水壶的传热分析可归纳为基本的热量传递方式：热传导和对流换热。同时，将不锈钢电水壶的在装有沸水时的传热过程视为稳态传热。因此，可以得到水壶传热过程的本构方程如下[11]：

热传导遵循傅里叶定律：

式中：Q为时间t内的传热量；K为热传导系数；A为传热平面面积；Thot为较高温度；Tcold为较低温度；d为传导平面之间的距离。

热对流用牛顿冷却方程描述：

式中：h为对流换热系数；TS为固体表面的温度；TB为周围流体的温度。

稳态传热的能量平衡方程为(以矩阵形式表示)：

式中：[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；

{T}为节点温度向量；

{Q}为节点热流率向量，包含热生成。

2 有限元分析及结果

2.1 前处理

2.1.1 建模

经过上述简化之后，忽略水壶底部零件，选取水壶横向轴线附近的部分进行仿真，在ANSYS建立水壶传热的二维模型（如图3所示），从左往右依次为水壶内壁、空气间层、水壶外壁。

图3 ANSYS里面建立的二维模型

图4 网格划分结果

设置物性参数与界面参数：选用国际单位制，定义不锈钢导热系数25W/（m·K），空气间层导热系数0.03W/（m·K），不锈钢与外部空气之间对流系数为10W/（m2·℃），不锈钢与空气间层（密封空气）之间对流系数为5W/（m2·℃）。

2.1.2 网格划分

在对研究对象进行有限元分析过程中，网格划分是其中最关键的一个步骤，网格划分的好坏直接影响计算解析的正确性与速度[12,13]。选择合适的有限元单元plane55，对网格属性进行定义。在确保计算时间适宜的情况下，尽量细化网格。划分网格，结果统计共12261个节点，12000个单元，结果如图4所示。

2.2 施加载荷约束并求解

在该模型的热分析过程中，需要加载的热载荷和边界条件主要包括温度和对流条件。边界温度即为沸水温度97℃，施加在水壶内壁上。取室内温度为20℃，对流载荷施加在外表面上，不锈钢与外部空气对流系数为10W/（m2·℃），对流传热作用在水壶外壁与空气接触的表面。

2.3 数值模拟结果与分析

根据前面建立的有限元模型和已确定的边界条件，利用ANSYS14.0对双层不锈钢电水壶进行稳态传热分析。得到的水壶的温度场分布，如图5所示。进行三维扩展之后的温度分布，如图6所示。

图5 水壶温度云图

图6 三维扩展之后的温度云图

由图5可以看出，从水壶内壁到外壁方向上温度逐渐降低，水壶的不锈钢内板和外板的温度基本是保持不变的，这是由于不锈钢板的导热系数较大，导热性能好。即不锈钢本身隔热性能较差。水壶中间层的温度变化较大，是因为而中间空气间层的导热系数较小，同时密封空气与不锈钢板的热对流系数较小，隔热效果好，温度因此发生了变化。因此，实际产品设计中，空气间层的设计有利于水壶隔热效果的提升。

3 仿真结果验证与误差分析

3.1 结果验证

依次改变水壶内壁施加的温度载荷，运用ANSYS仿真结果得到一系列的外壁温度参数。同时，利用实物电水壶做一些列实验，加入不同温度的热水，利用红外测温仪测出水壶外壁在不同条件下的温度（为保证实验精确，每次需等水壶冷却至室温再重新加热水做实验）。得到的数据如表1所示。

表1 仿真与实际结果对照表

将仿真得到的结果与实际测量结果进行比较，结果如图7所示。

图7 仿真结果与实验对照图

综合分析可以看出，在误差允许范围内，仿真结果与实际测量结果大致相同，验证了仿真结果的合理性与实际有效性。

3.2 误差分析

通过以上图表可以看出，仿真结果如实际结果仍存在一定的误差，有以下两点原因：

1）本身仿真过程忽略了辐射传热，而在水壶实际传热过程中，辐射传热是一直存在的。

2）不锈钢材料的热导系数仍然会随温度变化而变化，不是固定值。空气与不锈钢的对流系数会随空气环境变化而变化，在仿真过程中无法准确控制。

4 结论

基于ANSYS软件，在模拟实际条件下，对不锈钢双层水壶的温度场进行数值模拟，通过模拟结果分析，可以得出以下结论：

1）利用ANSYS软件，结合有限元的原理，通过对双层不锈钢水壶施加热导、对流边界条件可以比较准确的模拟出水壶传热的温度场分布，为实际水壶产品设计提供理论依据。

2）在不锈钢电水壶的设计过程中，采用双层结构即增加空气间层结构，有利于增加水壶保温效果。

[1]Molina A,Bell R.Reference models for the computer aiaded support of simultaneous engineering.Int J Computer Integrated Manufacturing,2002,15(3):193-213.

[2]高伟强,成思源,等.机械CAD/CAE/CAM技术[M].湖北:华中科技大学出版社,2012.

[3]李德群,肖祥芷.模具CAD/CAE/CA的发展概况及趋势[J].模具工业,2005,(7):9-12.

[4]张早明.CAE在汽车工业中的应用[J].汽车科技,2008,(5):7-1.

[5]朱颜.CAE技术在汽车轻量化设计中的应用[J].农业装备与车辆工程2008,(10):31-34

[6]杨鼎宁,邹经湘,盖登宇.计算机辅助工程(CAE)及其发展[J].力学与实,2005,(3):7-16.

[7]张洪才,等.ANSYS14.0理论解析与工程应用实例[M].北京:机械工业出版社,2013.

[8]商跃进,王红.有限元原理与ANSYS实践[M].北京:清华大学出版社,2012.

[9]余敏,邹慧芳.ANSYS的热分析研究[C].第十届沈阳科学学术年会论文集,2013.

[10]刘一兵,刘国华.ANSYS的关键技术及热分析研究[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2008,10(6):104-107.

[11]张朝辉.ANSYS热分析教程与实力分析[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[12]袁国勇.ANSYS网格划分方法的分析[J].计算机应用,2009,(06):59-60.

[13]王瑞,陈海霞,王广峰.ANSYS有限元网划分浅析[J].天津大学学报,2002,21(4):8-11.