Ansys Workbench热学仿真指南与实例详解（流固热电耦合Mechanical+Fluent）

Ansys Workbench环境集成了Ansys多种仿真工具，提供了一套完整的热力学仿真解决方案，既可以在单个工具软件中完成热分析任务，也可以组合多种工具完成复杂的电-热-流体-结构多物理场仿真，覆盖工程中热相关的仿真应用需求。

本书热分析涉及的产品及学习目标如下图所示，通过系统学习读者可以实现下列热分析功能。

（1）使用DesignModeler与SpaceClaim创建参数化的几何建模。

（2）使用Ansys Meshing与Fluent Meshing划分高质量的网格模型。

（3）使用Ansys Mechanical进行固体传热分析。

1）定义温度相关的材料以及随温度变化的材料属性。

2）通过稳态热分析研究系统稳态平衡状态下热传递行为和温度分布规律，确定最优传热材料选型，管控关重件的最高温度或最低温度。

3）通过瞬态热分析研究系统动态热平衡过程与温度波动规律。

4）执行固体-液体相变分析，研究固体熔化或凝固过程中热传递行为与温度变化规律，优化相变过程。

（4）Fluent流体传质传热分析。

1）流体传热分析：对传导/自然对流/强制对流/辐射（太阳辐照）等进行分析。

2）相变分析：对固液/气液（固化/熔化/相变储能/蒸发沸腾/冷凝）等进行分析。

3）结合多相流/多组分等模型进行复杂流体传热行为。

（5）围绕热学的电-热-流体-结构多物理场耦合分析。

1）基于Mechanical耦合场瞬态分析和耦合场稳态分析实现电-热-结构耦合分析，包括导体焦耳热（电磁感应热）、接触传热、摩擦生热等复杂传热分析。

2）基于Mechanical结构-热耦合分析，计算结构热变形与热应力。

3）基于Mechanical的接触传热/接触热阻/摩擦生热（机械功转换为热量）分析。

4）基于Fluent内置流体-固体共轭传热分析。

5）基于Fluent-Mechanical流-固-热-电的单向耦合分析与双向耦合分析，完成电-热-流体-结构多场耦合的复杂工程应用仿真分析。

（6）基于DesignXplorer的热优化与稳健性设计，确定工程最优设计方案。

1）通过参数相关性分析，评估热设计参数-热设计目标间相关性、灵敏度等关键指标，找到关键热设计参数及其对热设计目标的影响规律。

2）通过响应面优化，对热设计进行实验设计并建立高精度的响应面模型，基于响应面探索设计空间中各热设计参数对热设计目标的作用关系和敏感度，获得最优设计方案，并进行工程验证。

3）通过直接优化，直接获得设计方案的最优解，并进行工程验证。

通过典型练习题进行热仿真分析实践，完整掌握热仿真应用的基本过程和关键技术要点。练习题中设置了多种热材料、多种热设计方案、多种分析技术等比较性研究，找到热分析的一些典型规律和热设计应用的重要结论，在加深掌握理论的基础上精通工程应用。在练习的结果观察中，提供结果判读的方法与技巧，对关键结果项提供相应的说明，更好地从分析结果中获取更多热分析服务于热设计的目的。通过系列化的练习题，读者能够很好地完成入门到精通的学习过程。

编者虽然竭尽所能希望本书内容讲解精准到位和追求圆满，但难免有很多不足或者问题，如有发现请告知出版社或者编者，以便及时知晓并及时更正，不胜感谢并敬请读者谅解。联系交流方式如下：

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编 者

2026年1月于北京

前言

第1章 Ansys Workbench热仿真技术 1
1.1 Ansys热仿真产品解决方案 1
1.2 传热学原理与Ansys计算技术 3
1.2.1 热力学三大定理 3
1.2.2 Ansys Mechanical热平衡方程 4
1.2.3 Ansys Fluent/Icepak热平衡方程 5
1.2.4 热能、热容与比热：吸收/释放
显热 6
1.2.5 相变与焓：吸收/释放潜热 7
1.2.6 摩擦生热：摩擦力做功生热 8
1.2.7 气动加热：压缩气体做功生热 9
1.2.8 电热：电能转换为热能 10
1.2.9 化学反应热 11
1.2.10 热传导：傅里叶定律 12
1.2.11 热对流：牛顿冷却定律 13
1.2.12 热辐射：斯蒂芬-玻尔兹曼定律 14
1.2.13 热阻类型和热界面材料 17
第2章 几何建模技术 22
2.1 DesignModeler参数化特征建模 25
2.1.1 绘制二维草图 26
2.1.2 创建实体 27
2.1.3 创建面体 28
2.1.4 创建线体 30
2.1.5 高级建模工具 31
2.1.6 检测并修复几何 34
2.1.7 准备仿真几何模型 36
2.2 SpaceClaim直接建模 39
2.2.1 绘制草图 40
2.2.2 三维设计 42
2.2.3 导入几何并装配 46
2.2.4 准备仿真几何模型 47
2.2.5 检测并修复几何 49
第3章 网格划分技术 64
3.1 Ansys Meshing通用网格划分工具 65
3.1.1 标准网格划分流程 67
3.1.2 几何诊断与再处理 68
3.1.3 全局网格控制 71
3.1.4 局部网格控制 73
3.1.5 划分面网格 80
3.1.6 划分体网格 81
3.1.7 网格编辑 84
3.1.8 检查网格质量 86
3.1.9 热分析网格划分策略 87
3.2 Fluent Meshing工作流程 88
3.2.1 网格划分前准备工作 89
3.2.2 网格属性：几何单位设置 91
3.2.3 水密几何网格划分工作流 92
3.2.4 容错网格划分工作流 102
3.2.5 流场分析网格划分策略 103
第4章 Mechanical固体热传递分析 105
4.1 固体热传递分析技术要点 105
4.1.1 固体热传递分析工具 105
4.1.2 热分析几何模型与网格模型 106
4.1.3 接触传热 106
4.1.4 材料数据库与自定义热材料 107
4.1.5 热边界条件与载荷 109
4.1.6 初始化温度场 112
4.1.7 分析设置 113
4.1.8 求解奇异性 120
4.1.9 结果后处理 121
4.1.10 热相关的耦合场分析 124
4.2 练习1：三种热性能材料的热传递比较
研究 124
4.2.1 问题描述 125
4.2.2 操作过程 126
4.2.3 学习总结 140
4.3 练习2：水制冰与融冰的相变分析 141
4.3.1 问题描述 142
4.3.2 操作过程 142
4.3.3 学习总结 147
4.4 练习3：双层隔热罩的辐射传热散热
分析 147
4.4.1 问题描述 148
4.4.2 操作过程 149
4.4.3 学习总结 159
第5章 Fluent流体传质传热分析 160
5.1 Fluent流体传热分析技术要点 160
5.1.1 流体传热分析 160
5.1.2 自然对流计算 166
5.1.3 强制对流计算 168
5.1.4 辐射传热 169
5.1.5 固液相变：熔化与凝固 172
5.1.6 气液相变：蒸发与冷凝 174
5.2 练习4：自然对流与强制对流芯片散热
分析 183
5.2.1 问题描述 183
5.2.2 操作过程 184
5.2.3 学习总结 199
5.3 练习5：太阳日照条件下木屋内温度
分析 200
5.3.1 问题描述 200
5.3.2 操作过程 201
5.3.3 学习总结 212
5.4 练习6：石蜡固液相变储能热分析 212
5.4.1 问题描述 213
5.4.2 操作过程 214
5.4.3 学习总结 223
5.5 练习7：芯片浸没式蒸发沸腾传热
分析 224
5.5.1 问题描述 224
5.5.2 操作过程 225
5.5.3 学习总结 239
5.6 练习8：管道内壁热湿空气冷凝
分析 240
5.6.1 问题描述 241
5.6.2 操作过程 241
5.6.3 学习总结 254
第6章 电-流-固-热耦合分析 256
6.1 Workbench热相关耦合分析技术 256
6.2 练习9：基于练习1的热-应力单向耦合
分析 258
6.2.1 问题描述 259
6.2.2 操作过程 259
6.2.3 学习总结 264
6.3 练习10：基于练习4的流体热-应力单向
耦合分析 264
6.3.1 问题描述 265
6.3.2 操作过程 265
6.3.3 学习总结 269
6.4 练习11：滑动研磨生热的热-结构直接
耦合分析 269
6.4.1 问题描述 270
6.4.2 操作过程 271
6.4.3 学习总结 277
6.5 练习12：铜合金导体的电-热-结构直接
耦合分析 278
6.5.1 问题描述 280
6.5.2 操作过程 280
6.5.3 学习总结 286
6.6 练习13：加热板流体-热-结构双向耦合
分析 286
6.6.1 问题描述 291
6.6.2 操作过程 292
6.6.3 学习总结 310
第7章 基于DesignXplorer的热优化技术 312
7.1 DesignXplorer热优化技术要点 313
7.1.1 参数化创建几何模型 313
7.1.2 参数管理器Parameter Set 314
7.1.3 参数相关性的技术要点 315
7.1.4 实验设计的技术要点 316
7.1.5 响应面建模及优化的技术要点 319
7.1.6 直接优化的技术要点 322
7.2 练习14：散热器翅片优化设计 324
7.2.1 任务说明 325
7.2.2 操作过程 326
7.2.3 学习总结 374
参考文献 375

1. 数据库技术与应用（SQL Server） [主编 沙有闯 朱小娟]
2. 网络规划设计师备考一本通（适配第3版考纲） [夏杰 编著]
3. 八秩芳华 敦品致远——北方工业大学建校80周年征文集 [北方工业大学　编]
4. 大学生素质拓展指导 [郭亮]
5. 移动通信全网建设技术与应用 [主编　向宁　张琦　李智]
6. 大模型通识 [张成文 著]
7. 信息技术与人工智能实训 [主编 彭冬梅]
8. 信息技术与人工智能 [主编 罗茜]
9. 爆笑学英语：句句有梗的英文段子 [丁睿 编著]
10. 2025年湖南省金融业发展报告 [主编 王志辉 任璐]
11. 露易丝•格丽克诗歌中的“自我”研究 [李昂 著]
12. Ansys Workbench Mechanical 机械结构仿真指南与实例详解 [蔡宜时 编著]
13. 基于价值共创的生态文旅战略协同研究—以水利风景区为例 [王腾 董青 周海炜 著]
14. 数字化转型推动旅游产业升级的路径研究 [郭晓丽　著]
15. 中华水文化•水利名人文化 [毕雪燕 马卓 郭凯旋 费昕 马]
16. 遇见通州——副中心文明小书创作大赛获奖作品集 [主编　吕宇翔]
17. 潮白河流域岸带植物及水生生物图谱 [北京市水务规划研究院　著]
18. 用英语讲中国5000情景词 [董妍奇　编著]
19. 泥石流大石块冲击力计算方法实验研究 [易伟 赵怀宝 著]
20. 高职院校“双师型”教师领导力模型构建与应用研究 [杨晓倩　著]
21. 《公共机构节约用水管理办法》释义与实践 [国家机关事务管理局公共机构节能]
22. 绿色低碳发展的公共机构方案——2024-2025年度公共机构绿色低碳转型课题集 [国家机关事务管理局公共机构节能]
23. 数字化转型对企业高质量发展的影响研究 [金英兰　著]
24. 英语教学论与实践探索 [金虹 著]
25. 2025年湖南省文化和旅游业发展报告 [主编 金立槟]
26. 2023年长沙市湘菜餐饮业发展报告 [主编　邓应华 ]
27. 2025年湖南省会展业发展报告 [主编 陈莉]
28. 团体心理辅导 [方雄　著]
29. 中国湘菜文化史 [崔德明 彭文杰 李元敏 方八另]
30. 清代湖湘特色饮食研究 [李元敏 方八另 蔡振林 著]