Ansys 案例研究 | 对流系数如何影响温度变化速率

概述：

心血架是一种打开被斑块堵塞的血管的医疗设备。支架的常用材料是镍钛合金镍钛。在制造过程中，支架被退火和淬火成特定形状。退火法是一种使支架在高温下保持一定时间的热处理，而淬火过程是将支架浸入淬火剂中，以一定的速度冷却。支架的冷却速度应加以控制，因为冷却速度太慢对制造过程效率不高，而冷却速度太快会增加支架的脆性，导致热诱发应力和裂纹。

在本次模拟中，我们模拟了退火支架从 400°C 到室温（20°C）的淬火过程。冷却方式有两种比较：水淬火和强制风冷。这两种冷却方式的区别在于对流速度。

目标：

1、了解影响传热速率的因素

2、熟悉瞬态热分析框架

3、理解循环对称如何被利用来提高效率

步骤：

1、创建瞬态热分析系统

2、定义材料属性。使用Nitiinol作为支架材料。（材料参数的总结见表1）

3、导入几何模型，支架几何结构如图1所示。由于支架几何结构具有对称性，为提高效率仅建模了四分之一的几何部分(图2)。

图1 支架几何结构

图2 支架几何形状的四分之一

4、网格几何图形。指定网格尺寸为0.05mm，并用扫描网格方法来网格化几何体。会调整多个设置以实现均匀且稳健的网格。在网格细节的“尺寸”下，关闭“使用自适应尺寸”，开启“捕获曲率”和“捕获接近度”。在“捕获近距离”选项中，将“曲率法线角”设置为30，“跨越间隙的单元格数”设为2。（更多细节请点击底部案例视频）

5、定义分析设置并指定边界条件。应用400°C的初始温度。将步进结束时间定义为1秒，并启用自动时间步进。使用傅立叶数近似计算初始时间步长：

将Fo设为1，我们得到:

其中К是热导率，ρ是密度，С是比热，Δχ是元件尺寸，Δt是时间步长。经过快速计算，初始时间步长大约是1e-3秒。为了获得足够的输出结果，将最大时间步长设为0.05秒。施加循环边界条件。右键点击“模型”树以插入“对称性”，然后右键点击“对称性”插入“循环区域”。要定义循环区域，需要一个局部圆柱系统(见图3)、一个低边界和一个高边界。

图3 循环对称的局部园柱坐标系

6、对所有表面(除循环边界外)施加对流边界条件。将环境温度设定为20℃，对流系数设为0.002W/(°C·mm²)。这用以表示水中的对流系数。

7、运行模拟并查看结果。在0.09秒时的温度分布图如图4所示。由于对称性定义，该图是360°几何图形。

图4 0.09秒时的温度分布

最大温度历史曲线如图5所示，其中我们可以看到支架温度在约0.25秒内冷却至20°C。

图5 支架在水中的最高温度历史

使用强制空气的传导系数来运行模拟。将 W 传导薄膜系数改为 0.0003W/(°C·mm²)，以表示强制空气的冷却效果。再次运行模拟。最大温度历史图显示，将支架冷却至 20°C 大约需要 1 秒的时间。

图6 强制空气中支架的最高温度历史

总结：

此示例演示了进行瞬态热分析的过程。其中涵盖了使用对流和周期性对称性的方法。通过这一示例，您将能够了解对流系数如何影响温度变化速率。

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