第6章 ANSYS12.0多物理場耦合分析 

6.1  多物理場耦合分析概述 

自然界存在四種場：位移（應力應變）場、電磁場、溫度場、流場。工程中使用的分析軟件通常僅可進行這些場的單場分析。但是，自然界中這四個場之間是相互聯(lián)系的，現(xiàn)實世界不存在純粹的單場問題，所遇到的所有物理問題都是多場耦合的。只是受到硬件或軟件的限制，人為將它們分成單場現(xiàn)象，各自進行分析。有時這種分離是可以接受的，但許多問題這樣計算將得到錯誤結(jié)果。因此，在條件允許時，應該盡量進行多場耦合分析。現(xiàn)在硬件的發(fā)展已使多場耦合分析成為可能，主要的瓶頸在于軟件。  

ANSYS作為世界頂尖的CAE技術(shù)公司，不僅提供結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁單場分析功能，而且這些分析在統(tǒng)一模擬環(huán)境，同一數(shù)據(jù)庫中進行。通過多場耦合處理工具，可以進行復雜的多物理耦合分析。經(jīng)過多年的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)已成為世界領(lǐng)先的多物理場模擬工具，以先進的分析技術(shù)和理念引領(lǐng)著多物理場及耦合仿真的發(fā)展方向。 

耦合場分析是結(jié)合不同的工程學科解決一個完整的工程問題，因此，通常耦合場分析也稱為多物理場分析，耦合分析中一個場的輸入源自于另一個場的分析結(jié)果。 

一些分析可以進行單向耦合，如熱應力問題，溫度場在結(jié)構(gòu)場里產(chǎn)生熱應變，但結(jié)構(gòu)應變一般并不影響溫度分布，因此這兩個場之間的求解不用迭代。復雜的分析涉及到雙向耦合，如壓電分析中處理結(jié)構(gòu)和電場之間的交互影響，根據(jù)施加的位移求解電壓分布，反之亦然。流固耦合分析中，流體壓力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)變形反過來影響流場變化，這些問題需要兩個物理場之間的迭代求解。 

應用于壓力容器中熱應力分析，流體流動壓縮中的流-固分析，感應加熱中磁熱分析，超聲換能器中壓電分析，電磁成形中的磁-結(jié)構(gòu)分析，以及微機電系統(tǒng)（MEMS）等。  

6.2 ANSYS12.0多物理場耦合分析方法 

物理場耦合分析可以采用直接法和載荷傳遞耦合法， 

1、 直接法 

直接耦合方法所有物理場采用單一代碼求解，耦合場單元包括所有必要自由度，通過計算所需物理量的單元矩陣或載荷向量的方式進行耦合。如采用SOLID226、PLANE223或SOLID227單元進行壓電分析。 

2、載荷傳遞法 

載荷傳遞法涉及到多場分析，不同場之間的耦合通過將一個場的分析結(jié)果作為另一個場的載荷施加。載荷傳遞分析法有不同的類型，解釋如下： 

a) 載荷傳遞耦合分析-ANSYS多場求解器 

 

ANSYS多場求解器用于多數(shù)耦合分析，是一個自動化的工具，每個物理場具有獨立的實體模型和網(wǎng)格，載荷傳遞通過表面或體，多場求解器定義求解順序，耦合載荷在不同的網(wǎng)格間自動傳遞，該求解用于靜態(tài)、諧響應和瞬態(tài)分析。對于不同的應用，ANSYS多場求解器提供2個版本，MFS-Single Code及MFX-Multiple code，MFS-Single Code是基本的多場求解器，用于包含所有場的ANSYS單個產(chǎn)品（如ansys多物理場產(chǎn)品）處理小的模型。該方法采用迭代耦合順序求解物理場，每個矩陣方程單獨求解，物理場間的求解迭代僅在載荷傳遞的交界面處發(fā)生。MFX-Multiple code是增強的ANSYS多場求解器，用于模擬不同產(chǎn)品之間的多物理場耦合分析，（如ANSYS Multiphysics 和ANSYS CFX進行雙向流固耦合分析，分析類型不受任何限制，可充分發(fā)揮Multiphysics與CFX各自的獨特優(yōu)勢），可以處理大模型，可以同步或順序使用迭代耦合，求解迭代僅在載荷傳遞的多場交界面處。 

b) 載荷傳遞耦合分析-物理場文件 

 

該方法必須使用多物理場環(huán)境傳遞載荷，如順序熱應力分析，熱分析的節(jié)點溫度作為隨后的結(jié)構(gòu)應力分析中的體載荷施加，該分析基于單一的有限元網(wǎng)格，通過定義物理場環(huán)境生成物理場文件，這些文件設置數(shù)據(jù)庫和準備單一網(wǎng)格，常用方法是讀入第一個物理場文件并求解。然后讀入到第二個物理場，定義要傳遞的載荷，并求解第二個物理場。 

c) 載荷傳遞耦合分析-單向載荷傳遞 

 

流固耦合分析可以使用該方法，需要知道流體分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)載荷影響不大，反之亦然，ANSYS Multiphysics 載荷可以單向傳遞到CFX流體分析，或反之。 

3、何時運用直接法或載荷傳遞法 

 直接耦合法不同場的求解同步進行，在解決強耦合場相互作用或具有高度非線性時更具優(yōu)勢，并且可利用耦合公式一次性得到最好的計算結(jié)果。直接耦合法的例子包括壓電分析，伴隨流體流動的共軛傳熱問題，以及電路-電磁場耦合分析。求解這類耦合場相互作用問題都有專門的單元供直接選用。 

對于不存在高度非線性相互作用的情形，載荷傳遞法更為有效和方便，因為可以獨立的進行兩種場的分析。例如，對于熱-應力耦合分析，可以先進行非線性瞬態(tài)熱分析，再進行線性靜態(tài)應力分析。而后可以用熱分析中任意載荷步或時間點的節(jié)點溫度作為載荷進行應力分析。這里耦合是一個循環(huán)過程，其中迭代在兩個物理場之間進行直到結(jié)果收斂到所需要的精度。 

總之，直接耦合由于使用耦合場單元處理載荷傳遞，因此不用過多的人工干涉，載荷傳遞法需要定義更多的細節(jié)及指定要傳遞的載荷，但在不同網(wǎng)格及不同分析之間傳遞載荷更具靈活性，兩者對比見表6-1。表6-2給出多物理場分析的選擇方法。 

表6-1 耦合方法對比 

耦合方法 單向 雙向 

直接法（強耦合）  有 

載荷傳遞法（弱耦合） 有 有 

 

表6-2 選擇多物理場分析方法 

選擇方法 應用 

載荷傳遞法 

熱-結(jié)構(gòu)分析 各種場合 

電磁-熱，電磁-熱-結(jié)構(gòu) 感應加熱，RF射頻加熱，Peltier冷卻器 

靜電-結(jié)構(gòu)，靜電-結(jié)構(gòu)-流體 微機電系統(tǒng)（MEMS） 

磁-結(jié)構(gòu) 螺線管、電磁機械 

FSI,CFX-及基于FLOTRAN 航空、液壓系統(tǒng)、MEMS流體阻尼，輸液泵，心臟瓣膜 

電磁-固體-流體 流體處理系統(tǒng)，EFI，液壓系統(tǒng) 

熱-CFD 電子冷卻 

直接法 

熱-結(jié)構(gòu) 各種場合，如燃氣渦輪，MEMS 諧振器 

聲-結(jié)構(gòu) 聲學，聲納（聲波導航和測距裝置），SAW 

壓電 麥克風、傳感器、致動器、換能器、諧振器 

電彈 MEMS 

壓阻 壓力傳感器、應變儀（變形測量器）、加速度計 

熱電 溫度傳感器，熱處理，Peltiere 冷卻器，熱電發(fā)電機 

靜電-結(jié)構(gòu) MEMS 

電路 耦合電磁 MEMS，馬達 

電子-熱-結(jié)構(gòu)-磁 集成電路IC、PCB印刷電路板電子熱應力，MEMS激勵器 

流體-熱 管道網(wǎng)絡，歧管 

多孔流體擴散-結(jié)構(gòu) 隧道開挖、核廢料處理，滴油器，骨骼變形及康復 

 

6.3 ANSYS12.0結(jié)構(gòu)-熱耦合分析案例—輻射桿件熱應力問題 

6.3.1  問題描述 

兩端夾緊，桿件(2 x 2 x 20) m軸端流入熱流 2500 W 及熱通量 625 W/m2， 在另一段通過輻射散熱，輻射系數(shù) 0.3， 環(huán)境溫度T2= 20°C。確定端面溫度，軸向應力及變形。沿Z

方向幾何體尺寸依次為：2 m x 2 m x 2 m ， 2 m x 2 m x 5 m；2 m x 2 m x 10 m；2 m x 2 m x 3 m，材料屬性：彈性模型E = 2.0e11 Pa ，泊松比v = 0， 熱膨脹系數(shù)α = 1.2 x 10-5 1/°C，導入系數(shù)= 60.5 W/m°C ，桿件初始溫度Tu= 22°C 

 

圖6-1 輻射桿件模型 

6.3.2問題分析 

熱分析結(jié)果應滿足：流入熱量Q =輻射熱Qr =傳導熱QC  

流入熱量Q = 2500+625*2*2=5000 W 

根據(jù)輻射公式：=11(T14?24)，代入?1=0.3，A1=2*2=4 m2，T2=20+273.16=293.16 K，?=5.67*10-8w/m2*k4，Qr=5000 W，得到T1=260°C。 

根據(jù)熱傳導公式：Qc=λA1(T0?T1)/l ，代入熱輻射端溫度 T1 = 260.15°C，= 60.5 W/m°C，A1=4 m2，l=20 m，得到熱傳導溫度 T0 = 673.37°C。 

平均應力計算如下： 

?z=-E?[(T0+T1)/2-Tu]=-2x1011x1.2x10-5x[(673.37+260.15)/2-22]=-1.0674e9Pa 

軸向溫度Tz=673.37-（673.37-260.15）z/20 ，總變形為熱膨脹變形與熱應力變形之和δ=∫α(Tz?22)l/20dz+∫σzEl/20dz=0.001234m 

仿真分析中，先進行穩(wěn)態(tài)熱分析，然后將溫度結(jié)果導入結(jié)構(gòu)分析，端部加無摩擦約束，求解應力及位移。流程圖如下： 

 

圖6-2 熱應力分析流程 

6.3.3數(shù)值模擬過程 

1. 穩(wěn)態(tài)熱分析 

1) 選擇端面。 

2) 加入熱流量載荷【Insert】?【Heat Flow】。 

3) 明細窗口設置熱流量大小【Magnitude】=2500 W。。 

4) 選擇同樣端面，加入熱流密度載荷【Insert】?【Heat Flux】。 

5) 明細窗口設置熱流密度大小【Magnitude】=625 W/m2，見圖6-3。 

6) 選擇另一端面。 

7) 加入輻射載荷【Insert】?【Radiation】。。。。 

8) 明細窗口設置輻射系數(shù)【Emissivity】=0.3。 

9) 明細窗口設置環(huán)境溫度【Ambient Temperature】=20 °C 

10) 求解結(jié)果加入溫度【Insert】?【Thermal】?【Temperature】 

11) 求解結(jié)果加入熱通量【Insert】?【Thermal】?【Total Heat Flux】，見圖6-4 

 

 

圖6-3 施加熱流率及熱流密度載荷 

 

圖6-4 施加輻射邊界及求解 

12) 選擇溫度【Temperature】圖形區(qū)顯示頭端最大溫度367.37°C，尾部最小溫度260.15°C 

13) 選擇熱通量【Total Heat Flux】，圖形區(qū)顯示一致熱通量為1250 W/m2，如圖6-5 

 

 

圖6-5 穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果 

2、工程圖解中將穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果導入結(jié)構(gòu)靜力分析，選擇【Solution】?【Transfer Data To New】?【Static Structural】，見圖6-6 

 

圖6-6 穩(wěn)態(tài)熱分析導入結(jié)構(gòu)靜力分析 

3、結(jié)構(gòu)靜力分析見圖6-7 

1) 桿件兩端加入無摩擦約束【Frictionless Support】 

2) 參見圖形區(qū)左上窗口 

3) 導航樹中加入總變形、Z軸正應力及Z軸向變形并求解，選擇軸向變形【Directional Deformation】 

4) 圖形區(qū)右上窗口，顯示桿件中部最大軸向變形。 

5) 選擇Z軸向應力【Normal Stress】 

6) 圖形區(qū)左下窗口顯示平均軸向應力為-1.0674e9Pa 

7) 選擇總變形【Total Deformation】 

8) 圖形區(qū)右下窗口顯示總變形，中部紅色區(qū)域顯示最大值為0.0147m 

 

對比數(shù)值模擬的結(jié)果和理論計算的結(jié)果，表明兩者是一致的。 

 

6-7 結(jié)構(gòu)靜力分析及熱應力結(jié)果 

6.4  ANSYS12.0熱-電耦合分析 

6.4.1 ANSYS12.0熱-電耦合分析概述 

熱電效應，是當受熱物體中的 電子 ，因隨著 溫度 梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動時，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。而這個效應的大小，則是用稱為Thermopower(Q)的 參數(shù) 來測量，其定義為Q=E/-dT(E為因 電荷 堆積產(chǎn)生的電場，dT則是溫度梯度)。熱電制冷的理論基礎是固體的熱電效應，在無外磁場存在時，它包括五個效應，導熱、焦耳熱損失、西伯克(Seebeck)效應、帕爾帖(Peltire)效應和湯姆遜(Thomson)效應。1821年，德國物理學家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當兩接觸處的溫度不同時，回路中會產(chǎn)生一個電勢，這就是熱電效應，也稱作“塞貝克效應（Seebeckeffect）” 

 

圖6-8 熱電效應 

1. 焦耳熱： 

 

由電流通過導體產(chǎn)生，正比于電阻與電流的平方積，與電流方向無關(guān)。 

QJ=I2R 

2、西伯克(seebeck)效應 

有兩種不同導體組成的開路中，如果導體的兩個結(jié)點存在溫度差，這開路中將產(chǎn)生電動勢V，這就是西伯克效應。由于西伯克效應而產(chǎn)生的電動勢稱作溫差電動勢。材料的西伯克效應的大小，用溫差電動勢率?表示。材料相對于某參考材料的溫差電動勢率為：α=d dT ，單位為伏特/開爾文(v /K)， 即 

V=T 

由兩種不同材料P、N所組成的電偶，它們的溫差電動勢率?PN等于?P與?N之差，即: α  =d   dT=α ?α  

 熱電制冷中用P型半導體和N型半導體組成電偶。兩材料對應的?P和?N，一個為負，一個為正。取其絕對值相加，并將?PN直接簡化記作?， α=|α |+|α | 

3、帕爾帖(peltire)效應 

電流流過兩種不同導體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應。由帕爾帖效應產(chǎn)生的熱流量稱作帕爾帖熱，用符號Qp表示。 

對帕爾帖效應的物理解釋是：電荷載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。材料的帕爾貼效應強弱用它相對于某參考材料的帕爾貼系數(shù)表示： 

 =dQ d  ，單位W/A 

式中I為流經(jīng)導體的電流，單位安培（A）。帕耳帖系數(shù)的物理意義是單位電流在某種材料中攜帶的熱流數(shù)量。由于兩種材料連接處電流連續(xù)而帕耳帖系數(shù)不連續(xù)，此處就會有熱量的積累或是損失。通過改變電流的方向，就可以決定讓設備產(chǎn)熱或是制冷. 

類似的，對于P型半導體和N型半導體組成的電偶，其帕爾貼系數(shù)?PN有： 

?PN=?P-?N  帕耳帖熱為Qp=(?P-?N)I。 

帕爾貼效應與西伯克效應都是溫差電效應，二者有密切聯(lián)系。事實上，它們互為反效應，一個是說電偶中有溫差存在時會產(chǎn)生電動勢；一個是說電偶中有電流通過時會產(chǎn)生溫差。溫差電動勢率a與帕爾貼系數(shù)之間存在下述關(guān)系：?=?T，式中T為結(jié)點處的絕對溫度，單位。 

4. 湯姆遜效應 

電流通過具有溫度梯度的均勻?qū)w時，導體將吸收或放出熱量。這就是湯姆遜效應。由湯姆遜效應產(chǎn)生的熱流量，稱湯姆遜熱，用符號QT表示，單位W，： 

QT=-?T 

式中?為湯姆遜系數(shù)，單位W/(A.K) ；?T 為溫度差，單位K；為電流，單位A。 

在熱電制冷分析中，通常忽略湯姆遜效應的影響。另外，需指出：以上熱電效應在電流反向時是可逆的。由于固體系統(tǒng)存在有限溫差和熱流，所以熱電制冷是不可逆熱力學過程。 

ANSYS12.0中熱電耦合分析可以耦合熱場和電場，其分析內(nèi)容包括焦耳熱、Seebeck塞貝克效應、Peltier珀耳帖效應及Thomson效應，熱電耦合分析有多種應用如電子元件焦耳熱，熔斷器，熱電偶(熱電偶：用于準確測量溫度的熱電子元件，尤指一個熱電子元件，由兩種連在一起的不同金屬組成，這樣連結(jié)點間產(chǎn)生的電壓變化就是兩點間溫度差異的量度)及熱電冷卻器等。 

熱電分析類型：穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)，其中，瞬態(tài)熱電分析包括瞬態(tài)電效應（電容性阻尼）。 

熱電方程：熱電耦合考慮焦耳熱QJ和Seebeck系數(shù)（?） *q+=T,α-*J+?,K-*?T+ *J+=,σ-*E+?,α-*?T+ QJ=∫*J+ *E+d  

{q}熱通量；T絕對溫度；[K]熱傳導率；[?]Seebeck系數(shù)；{?T}溫度梯度，{J} 電流密度；{E}電場強度；[?]電導率 

有限元方程：矩陣和載荷矢量耦合 [CTT00C  ]{T?}+[KTT0K TK  ]{T }={Q+Q +QJI} 

[KVT]: Seebeck矩陣；[KTT]:熱傳導矩陣； [KVV]:電傳導矩陣；[KVT]: Seebeck耦合矩陣；[CTT]:比熱阻尼矩陣；[CVV]:電介質(zhì)（絕緣體）的介電系數(shù)矩陣； {QJ}焦耳熱；{QP}：Peltier熱，{Q}為包含熱生成載荷、對流等其它熱源的總和。Tomson效應考慮在隨溫度變化的Seebeck系數(shù)中。 

6.4.2  ANSYS12.0熱電耦合分析方法 

熱電分析中，熱及電載荷同時施加在零件上，穩(wěn)態(tài)熱電分析支持多步求解。其分析過程如下： 

1、 熱電分析系統(tǒng)【Thermal-Electric】導入工程圖解 

2、 定義工程數(shù)據(jù)：需定義熱電材料屬性，如電阻率和熱傳導率，Seebeck系數(shù)等 

3、 導入幾何模型 

4、 定義零件行為 

5、 定義聯(lián)接關(guān)系：接觸關(guān)系考慮熱電效應，也就是零件如果具有熱屬性，則產(chǎn)生熱接觸關(guān)系，零件如果具有電屬性，則產(chǎn)生電接觸關(guān)系， 

 

6、 應用網(wǎng)格控制及預覽網(wǎng)格 

7、 建立分析設置 

1) 步長控制【Step controls】：用于定義單步或多步載荷的終止時間，如果需要改變載荷值，改變求解設置，或者改變特殊時步的求解輸出頻率則需要多步載荷。 

2) 典型的熱電問題包括溫度相關(guān)的材料，需要非線性控制【Nonlinear Controls】，可以控制熱和溫度收斂，電壓和電流收斂，非線性算法采用默認【Quasi】選項，如果考慮輻射或使用分布求解器，可用使用【Full】選項。 

3) 輸出控制【Output Controls】可以定義需要輸出時間點。 

4) 【Solver Controls】求解器默認是直接法（稀疏求解器），也可以選擇迭代求解（PCG求解器），如果包含Seebeck 效應，程序自動設置為直接法。 

8、 施加載荷和支撐：包括電壓、電流、耦合條件、溫度、對流、輻射、熱流率、完全絕熱邊界、熱通量、內(nèi)部熱生成率 

9、 求解：【Solution Information】提供監(jiān)測求解過程的工具；【Solution Output】動態(tài)顯示分析求解過程信息，如果設置收斂工具，也以圖表形式顯示出來。 

10、 查看結(jié)果：以云圖或動畫顯示熱場及電場結(jié)果。使用探測工具顯示不同時間步的結(jié)果，使用圖表顯示結(jié)果隨時間的變化及比較結(jié)果。 

 

6.4.3 ANSYS12.0熱-電耦合分析案例—導線傳熱 

6.4.3.1 問題描述： 

一根裸露鋼線，電阻為R，通過電流I，需要確定電線中心溫度和表面溫度，表面與空氣對流系數(shù)為h， 空氣溫度為Ta。相關(guān)參數(shù)見表6-3 

表6-3 導線參數(shù) 

模型 材料參數(shù) 幾何參數(shù) 載荷 

 熱傳導率 

k=60.5  w/m?C 截面半徑 

r0=0.005 m 對流換熱系數(shù) 

h=5 w/m2?C 

電阻率 

?=1.7e-7 ?m 導線長度 

L=0.1 m  環(huán)境溫度 

Ta=20?C 

  電流I=20 A 

 

6.4.3.2問題分析： 

為方便起見，選擇導線自由長度0.1m，電阻可以計算得到 

R=?L/(?r02)=1.7e-7*0.1/(?*0.0052)=2.1645x10-4 

電壓：U=IR=20*2.1645e-4=4.329 x10-3 v 

單位體積的焦耳熱qJ=I2R/(L?r02)=20*20*2.1645e-4/（0.1*?*0.0052）=11024 w/m3 

溫度T= I2R /(2h L?r0)+ Ta=20*20*2.1645e-4/(2*5*0.1*?*0.005)+20=25.512 ?C 

6.4.3.3分析過程 

1. 熱電分析系統(tǒng)【Thermal-Electric】導入工程圖解 

2. 定義工程名稱wire 

3. 定義工程數(shù)據(jù)：選擇【Engineering Data】?【Edit】取默認值，該步可省略， 

4. 圖顯示出電阻率和熱傳導率的材料參數(shù) 

5. 導入幾何模型: 選擇【Geometry】?【Import Geometry】=wire.agdb；或者創(chuàng)建模型【Geometry】?【New Geometry】，草圖畫圓直徑為0.01m，拉伸長度為0.1m。 

6. 得到幾何模型如圖6-9 

7. 進入分析模型，選擇【Model】?【Edit】 

 

 

圖6-9 材料屬性 

8. 網(wǎng)格劃分 

1) 加入尺寸劃分【Mesh Control】?【Sizing】 

2) 圖形區(qū)選擇導線一端的圓邊 

3) 詳細信息窗口確定選擇的邊【Scope】?【Geometry】=1 Edge 

4) 尺寸按數(shù)量分割：【Definition】?【Type】=Number of Divisions 

5) 定義分割數(shù)量：【Definition】?【Number of Divisions】=20 

6) 劃分網(wǎng)格：選擇【Mesh】?【Generate Mesh】 

7) 生成網(wǎng)格如圖6-10 

 

 

圖6-10 網(wǎng)格劃分 

9. 施加載荷和邊界條件： 

1) 圖形區(qū)選擇導線端面 

2) 施加0電壓【Voltage】 

3) 圖形區(qū)選擇導線另一端面 

4) 施加20A電流【Current】 

5) 圖形區(qū)選擇導線圓柱面 

6) 施加對流邊界【Convection】 

7) 對流邊界條件設置為【Definition】?【Film Coefficient】=5 W/ m2?C;  【Ambient Temperature】=20 ?C，見圖6-11 

 

 

圖6-11施加載荷和邊界條件 

10. 求解并顯示結(jié)果 

1) 求解選項加入溫度【Temperature】，電壓【Electric Voltage】, 焦耳熱【Joule Heat】，熱通量【Total Heat Flux】，運行【Solve】求解后，選擇4窗口顯示結(jié)果。 

2) 圖形區(qū)選擇左上窗口 

3) 導航樹選擇溫度【Temperature】，圖形區(qū)顯示溫度分布中心為25.513?C，表面為25.512?C 

4) 圖形區(qū)選擇右上窗口 

5) 導航樹選擇電壓【Electric Voltage】，圖形區(qū)顯示電壓最大為0.0043291 v。 

6) 圖形區(qū)選擇左下窗口 

7) 導航樹選擇焦耳熱【Joule Heat】，圖形區(qū)顯示焦耳熱為11024 W/m3 

8) 圖形區(qū)選擇右下窗口 

9) 導航樹選擇熱通量【Total Heat Flux】，圖形區(qū)剖面分割顯示一半導線，從內(nèi)向外沿徑向增加，外表面熱通量最大。見圖6-12 

 

 

圖6-12 求解并顯示結(jié)果 

6.4.4 ANSYS12.0熱電耦合分析實例—熱電制冷 

6.4.4.1 問題描述： 

半導體熱電偶制冷元件由N型和P型半導體材料通過厚度為t的銅帶連接，N型和P型半導體長度L，截面積為A=W2，W為寬度，熱端溫度為Th，通過電流I時散熱，保持冷端溫度為Tc，電流正方向從N型半導體到P型半導體如表6-4所示。相關(guān)材料參數(shù)見表6-5 

表6-4熱電偶制冷元件模型 

 模型參數(shù) 

半導體長度L=1 cm 

半導體寬度及厚度W=1 cm 

冷端溫度Tc=0 ?C 

熱端溫度Th=54 ?C 

輸入電流I=28.7 A 

銅帶厚度t1=0.1 cm 

銅帶邊緣寬度t2=0.2 cm 

半導體間距W1=1 cm 

 

表6-5 熱電偶制冷元件模型材料參數(shù) 

名稱模型 電阻率 ohm*m 熱傳導率 w/(m*K) Seebeck熱電系數(shù)(v/K) 

N型半導體 ?N=1.05x 10-5 ?N=1.3 ?N=-165 x 10-6 

P型半導體 ?P=0.98 x 10-5 ?P=1.2 ?P=-210 x 10-6 

銅帶 1.7 x 10-8 400  

 

6.4.4.2問題分析： 

采用3D穩(wěn)態(tài)熱電耦合分析評估熱電偶制冷元件效率。 

為保持冷端溫度，需要帶走的熱流率為：QC=?TCI-0.5I2R-K?T 

其中Seebeck熱電系數(shù) α=|α |+|α |，忽略銅，則內(nèi)電阻R=(?N+?P)L/A, 內(nèi)部熱傳導系數(shù)K=(?N+?P)A/L，溫差 ?T=Th-Tc 

輸入功率: P=VI=?I?T +I2R 

效率: ?= QC/P 

6.4.4.3 數(shù)值模擬過程 

1. 熱電分析系統(tǒng)【Thermal-Electric】導入工程圖解 

2. 定義分析項目名稱cooler 

3. 定義工程數(shù)據(jù)：選擇【Engineering Data】?【Edit】取表6-5中材料參數(shù) 

4. 加入N型半導體材料參數(shù) 

5. 加入P型半導體材料參數(shù) 

6. 加入銅帶材料參數(shù) 

7. 導入幾何模型: 選擇【Geometry】?【Import Geometry】=cooler.agdb，注意幾何模型中5個實體構(gòu)成1個零件。 

8. 進入分析模型，選擇【Model】?【Edit】 

 

 

圖6-13 材料屬性 

9. 分配材料見圖6-14 

1) 導航樹中選擇第一個實體【Geometry】?【Part】?【Solid】 

2) 如圖右側(cè)實體 

3) 分配材料為P型半導體，實體明細窗口設置【Details of “Solid”】?【Material】?【Assignment】=P 

4) 導航樹中選擇第2,4,5個實體【Geometry】?【Part】?【Solid】 

5) 如圖上下3個實體 

 

6) 分配材料為銅帶，實體明細窗口設置【Details of “Solid”】?【Material】?【Assignment】=Cu 

7) 導航樹中選擇第3個實體【Geometry】?【Part】?【Solid】 

8) 如圖左側(cè)實體 

9) 分配材料為N型半導體，實體明細窗口設置【Details of “Solid”】?【Material】?【Assignment】=N 

 

 

圖6-14 材料分配 

10. 網(wǎng)格劃分為默認尺寸，見圖6-15 

 

 

圖6-15 網(wǎng)格劃分 

11. 施加載荷和邊界條件，見圖6-16： 

1) 圖形區(qū)選擇銅帶上表面，設置冷端溫度為0?C，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Temperature】，溫度明細窗口設置【Magnitude】=0，如圖中A所示。 

2) 圖形區(qū)選擇P型半導體端銅帶端面，設置電壓為0 V，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Voltage】，電壓明細窗口設置【Magnitude】=0，如圖中B所示。 

3) 圖形區(qū)選擇N型半導體端銅帶端面，設置電流為28.7 A，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Current】，電流明細窗口設置【Magnitude】=28.7 A，如圖中C所示。 

4) 圖形區(qū)選擇銅帶底面，設置熱端溫度為54?C，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Temperature】，溫度明細窗口設置【Magnitude】=54?C，如圖中D所示。 

5) 求解環(huán)境【Solution】中添加溫度和電勢結(jié)果，選擇鼠標右鍵選擇【Insert】?【Temperature】 

 

6) 鼠標右鍵選擇【Insert】?【Electric Voltage】 

 

 

圖6-16 施加載荷和邊界條件 

12. 求解并顯示結(jié)果見圖6-17 

1) 運行【Solve】求解后，選擇2窗口顯示結(jié)果，圖形區(qū)選擇左窗口，導航樹選擇溫度【Temperature】。 

2) 左圖形區(qū)顯示溫度分布，底面熱端為54?C，上表面冷端接近為0?C 

3) 圖形區(qū)選擇右上窗口，導航樹選擇電壓【Electric Voltage】 

4) 右圖形區(qū)顯示N型半導體底面電壓最大為0.074039V。 

 

 

圖6-17 求解顯示溫度分布和電勢 

5) 取冷端熱流率結(jié)果，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Probe】?【Heat Reaction】 

6) 反熱流率明細窗口選擇冷邊邊界【Boundary Condition】=Temperature2 

7) 導航樹顯示【Reaction Probe】，重新求解 

8) 選擇【Reaction Probe】，圖形區(qū)顯示反熱流率的位置， 

9) 明細窗口顯示值為0.663W，見圖6-18。 

 

因此根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到冷卻效率?= QC/P=0.663/(0.074039*28.7)=31.2%，P也可以根據(jù)輸入熱端溫度的反熱流率數(shù)據(jù)得出P=-2.787+0.663=-2.124 W 

 

圖6-18 冷邊熱流率 

6.4.5  ANSYS12.0熱電耦合分析實例—熱電發(fā)生器 

6.4.5.1  問題描述： 

熱電發(fā)生器由N型和P型半導體材料通過厚度為t的銅帶連接，N型和P型半導體材長度LN， Lp，截面積為AN=WNt和AP=WPt，WN，WP為寬度，t為厚度，發(fā)生器熱端溫度為Th，冷端溫度為Tc，，冷端連接外部電阻RO，由于冷熱端溫度不同將產(chǎn)生電流以及在負載電阻上輸出功率PO，模型參數(shù)如表6-6所示，相關(guān)材料參數(shù)見表6-7。 

表6-6熱電發(fā)生器模型 

 熱電發(fā)生器模型參數(shù) 

半導體長度LP=LN=1 cm，厚度t=1cm 

半導體寬度WP=1.5cm WN=1 cm 

半導體間距W1=0.5 cm 

銅帶厚度t1=0.1 cm， 

銅帶邊緣寬度t2=0.2 cm 

負載電阻尺寸3cm x 1cm x 0.1cm 

熱端溫度Th=327 ?C 

冷端溫度Tc=27 ?C 

 

表67 熱電發(fā)生器模型材料參數(shù) 

名稱模型 電阻率 ohm*m 熱傳導率 w/(m*K) Seebeck熱電系數(shù)(v/K) 

N型半導體 ?N=1.35x 10-5 ?N=1.4 ?N=-195 x 10-6 

P型半導體 ?P=1.75 x 10-5 ?P=1.2 ?P=-230 x 10-6 

銅帶 1.7 x 10-8 400  

負載電阻 1 x 10-6   

 

6.4.5.2問題分析： 

采用3D穩(wěn)態(tài)熱電耦合分析評估熱電發(fā)生器的熱效率。 

熱端輸入熱量為：Qh=?ThI-0.5I2R+K?T 

其中Seebeck熱電系數(shù) α=|α |+|α |，忽略銅，則內(nèi)電阻R=?N(LN/AN)+?P(LP/AP), 內(nèi)部熱傳導系數(shù)K=?N(AN/LN)+?P(AN/LN)，溫差 ?T=Th-Tc 

電流I=T/(R+RO), 輸出功率: PO=I2RO ，效率: ?= PO/Qh 

6.4.5.3數(shù)值模擬過程 

1. 熱電分析系統(tǒng)【Thermal-Electric】導入工程圖解 

2. 定義分析項目名稱generator 

3. 定義工程數(shù)據(jù)：選擇【Engineering Data】?【Edit】取表6-7中材料參數(shù)，如圖6-19 

1) 加入N型半導體材料參數(shù) 

2) 加入P型半導體材料參數(shù) 

3) 加入銅材料參數(shù) 

4) 加入負載電阻材料參數(shù) 

 

 

圖6-19 材料參數(shù) 

4. 導入幾何模型: 選擇【Geometry】?【Import Geometry】=generator.agdb，注意幾何模型中5個實體構(gòu)成1個熱電生成器，另外一個長方體為負載電阻。 

5. 進入分析模型，選擇【Model】?【Edit】 

6. 分配材料見圖6-20 

1) 導航樹中選擇第一個實體【Geometry】?【Part】?【Solid】如圖左側(cè)實體，分配材料為P型半導體，實體明細窗口設置【Details of “Solid”】?【Material】?【Assignment】=P 

2) 導航樹中選擇第3個實體【Geometry】?【Part】?【Solid】，如圖右側(cè)實體，分配材料為N型半導體，實體明細窗口設置【Details of “Solid”】?【Material】?【Assignment】=N 

3) 導航樹中選擇第2,4,5個實體【Geometry】?【Part】?【Solid】，如圖上下3個實體，分配材料為銅帶，實體明細窗口設置【Details of “Solid”】?【Material】?【Assignment】=Cu 

4) 導航樹中選擇第6個實體【Geometry】?【Solid】，如圖RO，分配材料為負載電阻 

5) 實體明細窗口設置【Details of “Solid”】?【Material】?【Assignment】=r 

 

 

圖6-20材料分配 

7. 網(wǎng)格劃分為默認尺寸，見圖6-21 

 

 

圖6-21 網(wǎng)格劃分 

8. 施加載荷和邊界條件，見圖6-22： 

1) 圖形區(qū)選擇銅帶下表面，設置冷邊溫度為27?C，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Temperature】，溫度明細窗口設置【Magnitude】=27?C，如圖中A所示。 

2) 圖形區(qū)選擇銅帶頂面，設置熱邊溫度為327?C，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Temperature】，溫度明細窗口設置【Magnitude】=327?C，如圖中B所示。 

3) 圖形區(qū)選擇P型半導體端銅帶端面，設置電壓為0 V，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Voltage】，電壓明細窗口設置【Magnitude】=0，如圖中C所示。 

4) 圖形區(qū)選擇負載電阻靠P型半導體端面，設置電壓為0 V，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Voltage】，電壓明細窗口設置【Magnitude】=0，如圖中E所示。 

5) 圖形區(qū)選擇N型半導體端銅帶端面及負載電阻靠N型半導體端面，設置電勢耦合邊界，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Coupling】，明細窗口設置【DOF Selection】=Voltage（VOLT），如圖中D所示。 

 

 

圖6-22 施加載荷和邊界條件 

9. 求解并顯示溫度及電壓結(jié)果見圖6-23 

 

求解環(huán)境【Solution】中添加溫度和電勢結(jié)果，選擇鼠標右鍵選擇【Insert】?【Temperature】，選擇【Insert】?【Electric Voltage】，運行【Solve】求解后，選擇2窗口顯示結(jié)果， 

1) 圖形區(qū)選擇左窗口，導航樹選擇溫度【Temperature】。 

2) 左圖形區(qū)顯示溫度分布，頂面熱端為327?C，底面冷端為27?C，負載電阻為0?C 

3) 圖形區(qū)選擇右窗口，導航樹選擇電壓【Electric Voltage】 

4) 右圖形區(qū)顯示N型半導體底面電壓降最大為-0.072267V。 

 

 

圖6-23 求解顯示溫度分布和電勢 

10. 獲得輸入熱量及輸出熱功，見圖6-24 

1) 查看輸入流率，鼠標右鍵選擇【Insert】?【Probe】?【Heat Reaction】 

2) 反熱流率明細窗口選擇熱端邊界【Boundary Condition】=Temperature2，導航樹顯示【Reaction Probe】 

3) 鼠標右鍵選擇【Insert】?【Probe】?【Heat Reaction】 

4) 反熱流率明細窗口選擇冷端邊界【Boundary Condition】=Temperature，導航樹顯示【Reaction Probe2】，重新求解 

 

5) 選擇【Reaction Probe】，圖形區(qū)上部顯示輸入熱流的位置，明細窗口輸入熱量為15.779W。 

6) 選擇【Reaction Probe2】，圖形區(qū)下部顯示輸出熱流的位置，明細窗口輸入熱量為-14.05W。 

 

因此根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到熱功PO=15.779-14.05=1.73W，則熱效率?= PO/Qh =1.73/15.779=11%，PO也可以根據(jù)VI得出PO=0.072267*23.993=1.734 W,電流取零電勢處的反電流。 

 

圖6-24 輸入熱量及輸出熱量 

 

 

   詳細原文，詳見附件：ANSYS_12.0_Workbench-熱分析教程.pdf