写在之前

ANSYS中有Steady-State Thermal(SST)分析系统与Fluent分析系统，都可以做传热分析，那到底有什么不同呢？下面详细展开……

在SST中，传热分析基于Fourier’s law的传导方程，将热对流Convection处理成简单的边界条件
SST计算其实调用Mechanical的内核，只能用于固体传热
稳态传热分析往往用作瞬态热分析的第一步或最后一步，仿真只需要材料的导热系数lamda
Fluent同时具备流体与固体传热计算的能力，可以共轭传热/流动问题、流固耦合传热仿真,能力更强
对流换热系数/表面传热系数/换热系数/膜系数有可能与温度相关，SST和Fluent中均可通过函数或用户数据定义
- Fluent通过PROFILEs或UDF来定义复杂边界条件

工况①

描述

直径为1m，长为5m的圆柱体在一定热边界条件下分别在Steady-State和Fluent里仿真，对比圆柱中心轴线上的温度曲线，具体分为以下内容：

SST添加探针提取各热边界的热流计算结果，看整体计算是否平衡；Fluent通过flux reports获取各热边界的通量结果，看整体计算是否平衡；
整体温度分布云图和热流密度分布图，单位W/m2
SST添加path的方式获取轴线温度曲线，Fluent通过添加Line/Rake的方式获取轴线温度曲线，并导出到Matlab里面画图对比

工程原理图如下所示：

注：Fluent仿真时勾选双精度，不然误差会很大

材料参数

我们研究的是稳态传热问题，只与导热系数相关，如果是瞬态热分析，则还需要比热容Cp
默认选钢，导热系数：60.5w/(m·℃)

热边界条件

Left:温度边界50℃
Right:温度边界0℃
Side:温度边界0℃

网格划分

使用自动网格划分，网格size设置为0.05m，并创建各面名称Left、Right、Side

网格信息	SST	Fluent
Nodes	307074	88944
Elements	74033	85042

注：节点和元素数量不同证明两种仿真进行网格操作的内核不同

结果分析

三个边界条件热流量

边界名称	SST仿真热流结果	Fluent仿真热流结果
Left	17451.250841187943W	20203.408W
right	-5.6861427486147756E-07W	-5.7704047e-07W
Side	-22395.632164042483W	-20203.408W

SST热流相加结果等于-4.944381323423157e+03，不守恒？我们暂且不管，先看看其他的对比效果

Fluent热流相加等于2.582965e-10，基本等于0，小于通过边界最小通量的1%,满足热平衡要求，计算收敛

温度云图


SST温度云图	Fluent温度云图

热流云图


SST的total Heat Flux温度云图	Fluent的Total Surface Heat Flux

注：图中箭头方向表示热流方向，箭头长短表示数值大小，可以看到两者完全不一样，需要后续进一步查明两者具体含义

中轴线温度分布

总结

从以上结果看，虽然SST的热流量报告显示不平衡，但其余计算结果均相同，后查阅官方文件发现，在SST中，当多个热边界条或者热约束共同作用一个边或面时，reaction heat flow rate的报告就会变得不准，但计算结果依然正确，为了验证这一说法，又进行了工况②的仿真

工况②

处边界条件不同外其余均相同

边界条件

Left:温度边界50℃
Right:温度边界0℃
Side:对流边界5W/m2,环境温度0℃

结果分析

三个边界条件热流量

边界名称	SST仿真热流结果	Fluent仿真热流结果	计算差值
Left	1368.6 W	1367.0047W	0.12%
right	-156.16 W	-155.73317W	0.27%
Side	-1212.5W	-1211.2715W	0.10%

SST热流相加结果等于-0.06，基本等于0，满足热平衡要求

Fluent热流相加等于-3.03703e-09，基本等于0，小于通过边界最小通量的1%,满足热平衡要求，计算收敛

可以看到，两者计算几乎没有差别，均可以实现对工况传热的准确模拟

温度云图


SST温度云图	Fluent温度云图

热流云图


SST的total Heat Flux温度云图	Fluent的Total Surface Heat Flux

注：图中箭头方向表示热流方向，箭头长短表示数值大小，可以看到两者完全不一样，需要后续进一步查明两者具体含义

中轴线温度分布

总结

从以上结果看，SST与Fluent在做固体传热时，只要计算收敛，计算结果基本没有差距。

写在之后

可以见得，SST在复杂热边界条件可能出现热通量报告不准，但计算仍然有效的情况；反观Fluent在两种工况里都体现里良好的热平衡求解性，但还要再去深究的是热流云图，两者的具体含义，以及Fluent的热流是否可以类似的由向量箭图的表示方式

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写在之前

工况①

描述

材料参数

热边界条件

网格划分

结果分析

三个边界条件热流量

温度云图

热流云图

中轴线温度分布

总结

工况②

边界条件

结果分析

三个边界条件热流量

温度云图

热流云图

中轴线温度分布

总结

写在之后

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