如何进行锅炉炉墙热分析？

一台锅炉的炉墙由三层材料叠合而成，最里面是耐火黏土砖，厚度115mm，中间是B级硅藻土砖，厚度125mm，最外层为石棉板，厚度70mm。已知炉墙内、外表面温度分别为495℃C和60℃C，求温度分布以及耐火黏土砖与硅藻土砖分界面上的温度，如图8-16所示。

本例是一个工程常见的稳态热分析问题，其中各热导率分别为λ₁=1.12W/（m·K），λ₂=λ₃=0.116W/（m·K），则每平方米炉墙每小时的热损失为

图8-16 锅炉炉墙

耐火黏土砖与B级硅藻土分界面温度为

操作步骤

1.启动ANSYS 14.5

双击桌面上的“Mechanical APDL Product Launcher”图标，弹出“ANSYS配置”窗口，在“Simulation Environment”选择“ANSYS”，在“license”选择“ANSYS Multiphysics”，然后指定合适的工作目录，单击“Run”按钮，进入ANSYS用户界面。

2.指定工程名和分析标题

1）选择“Utility Menu＞File＞Change Jobname”命令，弹出“Change Jobname”对话框，修改工程名称为“furnace”，如图8-17所示。单击“OK”按钮完成修改。

图8-17 “Change Jobname”对话框

2）选择“Utility Menu＞File＞Change Title”命令，弹出“Change Title”对话框，修改标题为“Steady state thermal analysis of furnace”，如图8-18所示。单击“OK”按钮完成修改。

图8-18 “Change Title”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“plane stress”显示在窗口的左下方。

3.指定分析类型

选择“Main Menu＞Preference”命令，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，勾选“Thermal”选项，如图8-19所示。单击“OK”按钮确认。

图8-19 “Preferences for GUI Filtering”对话框

4.定义单位

在ANSYS软件的主界面命令输入窗口中，输入“/UNIT，SI”，如图8-20所示。然后单击“Enter”键确认。

图8-20 输入单位命令

5.定义单元类型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete”命令，弹出“Element Types”对话框，如图8-21所示。

2）单击“Add…”按钮，弹出，在左边的列表中选择“Solid”选项，即选择实体单元类型，然后在右边列表中选择“Quad 4node 55”单元，如图8-22所示。单击“Library of Element Types”对话框的“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图8-21 “Element Types”对话框

图8-22 “Library of Element Types”对话框

3）单击“Close”按钮，关闭“Element Types”对话框，结束单元类型的添加。

6.定义材料属性

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Materials Props＞Material Models”命令，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图8-23所示。

图8-23 “Define Material Model Behavior”对话框

2）在右侧列表中选择“Thermal＞Conductivity＞Isotropic”，弹出“Conductivity for Material Number 1”对话框，在“KXX”文本框中输入1.12，如图8-24所示。单击“OK”按钮返回。

图8-24 “Conductivity for Material Number 1”对话框

3）在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞New Model”命令，弹出“Define Material ID”对话框，输入2，单击“OK”按钮，在右侧列表中选择“Thermal＞Conductivity＞Isotropic”，弹出“Conductivity for Material Number 2”对话框，在“KXX”文本框中输入0.116，单击“OK”按钮返回，如图8-25所示。

图8-25 定义材料属性2

4）在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞Exit”命令，退出材料模型属性窗口，完成材料模型属性的定义。

7.建立分析模型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By Dimensions”命令，弹出“Create Rectangle by Dimensions”对话框，输入顶点坐标（0，0）、（0.115，0.6），创建矩形面，如图8-26所示。

图8-26 几何尺寸创建矩形面

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By Dimensions”命令，弹出“Create Rectangle by Dimensions”对话框，输入顶点坐标（0.115，0.6）、（0.24，0），创建矩形面，如图8-27所示。

图8-27 几何尺寸创建矩形面

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By Dimensions”命令，弹出“Create Rectangle by Dimensions”对话框，输入顶点坐标（0.24，0）、（0.31，0.6），创建矩形面，如图8-28所示。

图8-28 几何尺寸创建矩形面(www.xing528.com)

4）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Glue＞Areas”命令，弹出“Glue Areas”对话框，单击“Pick All”按钮选择所有面，单击“OK”按钮完成粘接运算，如图8-29所示。

图8-29 粘接运算

8.划分网格

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞MeshAttributes＞Picked Areas”命令，弹出“Area Attributes”对话框，拾取最左侧的面，单击“OK”按钮，弹出“Area Attributes”对话框，在“Material number”下拉列表中选择“1”，单击“OK”按钮完成面单元属性的设置，如图8-30所示。

图8-30 设置面单元属性

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Attributes＞Picked Areas”命令，弹出“Area Attributes”对话框，拾取最右侧的2个面，单击“OK”按钮，弹出“Area Attributes”对话框，在“Material number”下拉列表中选择“2”，单击“OK”按钮完成面单元属性的设置，如图8-31所示。

图8-31 设置面单元属性

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞ManualSize＞Lines＞Picked Lines”命令，弹出“Elem Sizes on Picked Lines”对话框，用鼠标选择左侧2个面的所有短边，单击“OK”按钮，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，输入分段数6，单击“OK”按钮完成线尺寸设置，如图8-32所示。

图8-32 设置线尺寸

4）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞ManualSize＞Lines＞Picked Lines”命令，弹出“Elem Sizes on Picked Lines”对话框，用鼠标选择右侧1个面的所有短边，单击“OK”按钮，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，输入分段数4，单击“OK”按钮完成线尺寸设置，如图8-33所示。

图8-33 设置线尺寸

5）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞ManualSize＞Lines＞Picked Lines”命令，弹出“Elem Sizes on Picked Lines”对话框，用鼠标选择所有长边，单击“OK”按钮，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，输入分段数30，单击“OK”按钮完成线尺寸设置，如图8-34所示。

图8-34 设置线尺寸

6）在网格工具中选择分网对象为“Areas”，网格形状为“Quad”，选择分网形式为“Mapped”，然后单击“Mesh”按钮，弹出“Mesh Areas”对话框，单击“Pick All”按钮拾取所有面，单击“OK”按钮生成网格，如图8-35所示。

图8-35 生成网格

7）单击“Mesh Tool”对话框中的“Close”按钮，关闭网格划分工具。

9.施加边界条件和载荷

1）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply TEMP on Lines”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型“TEMP”，在“Load TEMP value”文本框中输入数值495，单击“OK”按钮完成约束，如图8-36所示。

图8-36 在线上施加温度约束

2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Temperature＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply TEMP on Lines”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型“TEMP”，在“Load TEMP value”文本框中输入数值60，单击“OK”按钮完成约束，如图8-37所示。

图8-37 在线上施加温度约束

10.求解

1）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图8-38所示的求解信息窗口，其中“/STATUS Command”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。

图8-38 求解信息窗口

2）单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，程序开始求解，求解完成后弹出“Note”对话框，如图8-39所示。单击“Close”按钮关闭。

图8-39 “Note”对话框

11.后处理显示结果

1）选择“Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu”命令，弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，选中“Nodal Solution＞DOF Solution＞Nodal Temperature”选项，如图8-40所示。

图8-40 启动绘制温度等值线命令

2）单击“OK”按钮显示温度等值线图，如图8-41所示。

图8-41 温度等值线图

3）选择“Utility Menu＞Parameters＞Get Scalar Data”命令，弹出“Get Scalar Data”对话框，在左侧列表中选择“Results data”，在右侧列表中选择“Nodal results”，如图8-42所示。

图8-42 “Get Scalar Data”对话框

4）单击“OK”按钮，弹出“Get Data for Selected Entity Set”对话框，在“Name of parameter to be defined”文本框中输入T0，在“number N”文本框中输入156，单击“OK”按钮完成，如图8-43所示。

图8-43 “Get Data for Selected Entity Set”对话框

5）选择“Utility Menu＞List＞Status＞Parameters＞All Parameters”命令，弹出“*STAT Command”对话框，显示温度为469.96度，如图8-44所示。

图8-44 “*STAT Command”对话框

6）单击工具栏上的按钮，保存数据库文件。