假设：初始温度为 600 K 的不锈钢气缸 (AISI 304) 浸没到油槽中，在 h = 500 W/m2 K 的对流作用下被淬灭。气缸的长度为 60 mm，直径为 80 mm。根据“热传递简介”，不锈钢 (AISI 304) 的材料属性为：密度 = 7900 kg/m3，传导系数 = 17.4 W/m K，比热 = 526 J/kg K。
求解：冷却三分钟之后，气缸中心、环形面心和侧面中高的温度是多少？
图 1：问题几何体
此示例仅包含设置和执行分析。有关构建模型的说明，请参见创建对流气缸模型。如果尚未构建该模型，则可在 Autodesk Simulation 安装目录的 Models 子文件夹中打开 cylconv_input.ach 文件。
方法 1：二维轴对称模型
- 在树视图中“部件 1”的“单元类型”标题上单击鼠标右键，然后选择“二维”命令。
- 在“部件 1”的“单元定义”标题上单击鼠标右键，然后选择“编辑单元定义”命令。在“几何类型”下拉菜单中选择“轴对称”选项，然后单击“确定”。
- 在“部件 1”的“材料”标题上单击鼠标右键，然后选择“编辑材料”命令。亮显“[自定义]”后，单击“编辑属性”。分别在“质量密度”、“热传导率”和“比热”字段中键入 7900、17.4 和 526。单击“确定”两次。
- 单击“部件 1”下“表面”标题旁边的 +，显示此部件上的两个表面。在“表面 2”标题上单击鼠标右键，然后选择“添加”
“表面对流载荷”命令。在“温度无关对流系数”字段中键入 500，并在“环境温度”字段中键入 300。将载荷曲线设置为 0，表示载荷不会随时间而变化。（由于载荷与载荷曲线不重合，因此“载荷曲线数值”的值并不重要。）单击“确定”。 - 在树视图中右键单击“分析类型”标题，然后选择“编辑分析参数”命令。分析必须按照问题陈述运行 180 秒（3 分钟）。如果使用的计算时间步为 1 秒，则必须计算 180 个时间步。每十个时间步输出一次。使用此输入：将“初始时间”保留为零。在“事件”电子表格的第一行中，分别将“时间”、“步数”和“输出间隔”输入为 180、180 和 10。
- 单击“选项”选项卡，然后在“默认节点温度”字段中键入 600。如果不更改此值，模型将从时间为 0 时的 0 度开始。
- 单击“高级”选项卡。由于模型中不存在非线性效应（正交各向异性传导或辐射），因此请在“矩阵重组之间的时间步数”字段中键入 0。
- 单击“确定”，关闭“分析参数”对话框。
- 选择“分析”“分析”“运行仿真”以执行分析。在分析过程中，计算得出的结果将显示在“结果”环境中。
- 若要在 180 秒时查看结果，请使用“结果等值线”“荷载工况选项”“最后的结果”。
- 若要读取相应节点处的实际值，请使用“查询结果”“查询”“当前结果”。单击左下方的节点（气缸中心）读取该值 (403.4)。单击左上方的节点（环形面心）读取该值 (371.0)。单击右下方的节点（侧面中高）读取该值 (362.7)。
- 可以创建任何节点处的温度结果图。选择相应的节点，单击鼠标右键，然后选择“图形表示值”。
方法 2：三维块体模型
该三维模型是在不同的设计工况中创建的，方法是从复制二维模型的设计工况开始。鉴于对称关系，因此仅对整个 360 度部件的 90 度分段进行建模。
- 单击“FEA 编辑器”选项卡返回该环境。
- 在“设计工况 1”上单击鼠标右键，然后选择“复制”。这将复制用于生成三维网格的二维网格。
- 依次使用“选择”“选择”“直线”和“选择”“选择”“全部”，选择模型中的所有直线。
- 旋转二维网格，以创建块体单元。选择“绘制”“图案”“转动或复制”。激活“复制”复选框，并在相邻字段中键入 10。激活“连接”复选框。
- 在“总角度”字段中键入 90，然后选择 DZ。转动中心点应为 (0,0,0)。单击“确定”旋转网格并创建 1/4 气缸。可以通过更改为等轴视图（“视图”“浏览”“方向”“等轴视图”）加以确认。
- 在树视图中“部件 1”的“单元类型”标题上单击鼠标右键。选择“块体”命令。由于所有其他输入都是从二维模型复制来的，因此无需更改。
- 选择“分析”“分析”“运行仿真”以执行分析。在分析过程中，计算得出的结果将显示在“结果”环境中。
- 若要在 180 秒时查看结果，请使用“结果等值线”“荷载工况选项”“最后的结果”命令。
- 若要读取相应节点处的实际值，请选择“查询结果”“查询”“当前结果”。单击底部的节点（气缸中心）读取该值 (403.0)。单击顶部的节点（环形面心）读取该值 (370.7)。单击右下方或左下方的节点（侧面中高）读取该值 (362.6)。
注意：难以从等轴视图中选择环形面心处的节点。若要获得此节点，您可能需要切换视图。
结果比较
下表显示了从“热传递简介”中的分析以及使用该软件执行的两个分析获得的结果。
模型的存档 cylconv.ach 位于 Autodesk Simulation 安装目录的 Models 子目录中。
| 3 分钟时的温度 (K) | |||
|---|---|---|---|
| 气缸中心 | 顶部环形面心 | 侧面中高 | |
| 参考 | 405 | 372 | 366 |
| 二维分析 | 403.4 | 371.0 | 362.7 |
| 三维分析 | 403.0 | 370.0 | 362.6 |
参考
Introduction to Heat Transfer, Incropera, Frank 和 DeWitt, David, John Wiley & Sons, New York, 1990, pp. 266 - 270.