ANSYS Workbench Mechanical 热辐射传热分析方法操作

在workbench中，可以进行热辐射分析计算的Mechanical模块主要有稳态/瞬态耦合场、稳态/瞬态热等，其工程图如图 1所示。各个模块的辐射传热设置非常相近，接下来以稳态热模块演示一个简单热辐射案例。

图 1 能够进行热辐射计算的Mechanical模块

现有一几何模型如图 2所示，由一个圆台筒和位于圆台筒中心的小圆柱体组成。其中，小圆柱的侧面是温度为700℃的热边界；所有表面均可产生热辐射，热辐射率为0.7；环境温度为4K。

图 2 稳态热模块热辐射计算演示案例几何模型

1 设定传热边界条件

首先设定辐射传热条件。在steady-state thermal项目树下添加“radiation”分支。

在设置框中选定对应的辐射面。

在Correlation选项中可以选择辐射至环境和面到面辐射，其中辐射至环境指的是所有面产生的辐射均辐射至环境，不会产生面和面之间的辐射；面到面辐射则考虑实体面之间的辐射，不在面和面之间的辐射依然默认为辐射至环境中，该选项需要计算所有辐射面上单元面的角系数，在工作目录生成角系数文件。本案例考虑面到面之间的辐射，选择为“surface to surface”。

设定辐射率，此处设定为0.7。设定环境温度，此处设定为-269.15℃。默认辐射空间序号为1，如果在计算过程中添加了多个“radiation”分支，不同分支之间辐射空间序号相同部分会放到一个空间内进行计算，序号不同的部分则不会有辐射关联。此处辐射空间序号的设置并没有什么限制，同一个辐射空间的保证为同一个序号，不同辐射空间的保证为不同序号即可。

图 3 稳态热模块辐射传热分支设置

设置完辐射传热边界条件后，再设定其他热边界条件。此处需要添加“temperature”分支设定小圆柱体的侧面温度为700℃，如图 4所示。

图 4 稳态热模块其他热边界条件设定

2 角系数文件设置

默认情况下，workbench在计算完辐射面的角系数之后会生成角系数文件，并且在计算完之后自动删除该文件。如果辐射面的单元数量较多，例如在7万以上，生成角系数需要较长的时间。实际上在mechanical生成角系数文件后，如果需要重新计算，在没有改动网格和热辐射边界条件设置的情况下可以直接读取已生成的角系数文件，而不需要重新生成。这里需要进行专门的设置。

首先，点击项目树下的“Analysis Settings”，在设置框中展开“Analysis Data Management”，将“Delete Unneeded Files”设置为No，如图 5所示。这样在计算结束时程序不会把工作目录下的角系数文件删除掉。

图 5 设置程序计算结束时保留角系数文件

默认情况下，角系数文件的文件名为“file0.vf”。需要注意，重新开始计算时，程序会把工作目录下包括角系数文件在内的所有文件清空，因此需要把生成的角系数文件迁移到安全目录下。另外要注意需要设定全英文路径，且路径中不能出现空格。

在steady-state thermal下添加命令分支，插入VFOPT命令使得在求解之前程序读取已有的角系数文件。本案例的命令为：

VFOPT, read, file0, vf, C:/Users/Documents/ANSYS, , ,

其中C:/Users/Documents/ANSYS为角系数文件所在的路径，它不能带双引号。设置界面如图 6所示。

图 6 插入VFOPT命令读取角系数文件

如果原先并没有角系数文件，则不能插入该命令，需要修改命令，计算生成角系数文件。

默认情况下，当辐射面单元数量较大（例如1万）时，生成的角系数文件会较大，可使用VFOPT命令对角系数文件进行压缩。如果是初次生成角系数文件，可插入命令：

VFOPT, NEW, file0, vf, C:/Users/Documents/ANSYS, BINA,1,

该命令生成的角系数文件虽然会变小，但使用串行方法计算角系数，速度较慢。如果希望并行求解角系数的同时压缩产生的角系数文件，则可插入命令：

VFOPT, OFF, file0, vf, C:/Users/Documents/ANSYS, BINA,1,

读取角系数文件正常使用VFOPT命令读入即可。

3 求解及后处理

完成以上设置后，点击求解得到结果。在Solution下插入temperature分支，在设置框中选择需要显示温度的几何体，然后右键点击temperature，点击Retrieve This Result生成温度分布云图，操作如图 7所示。

图 7 选择需要的几何体生成温度分布云图

生成的结果如图 8所示，整体较为合理。

(a) 小圆柱温度分布	(b) 圆台筒温度分布

图 8 稳态热模块热辐射案例分析温度分布