热力学仿真必备基础

热力学仿真必备基础
热力学应该说是介于CAE和CFD之间的学科，与结构分析以及流体动力学分析都有交集。

热力学基础内容并不多,所以今天就花一节的篇幅简单介绍一下热力学分析的一些基础。

本节的关键词：热力学分析的应用；热传导；热对流；热辐射；热应力。

热力学相关的问题也是产品工程师在设计时所面临的一个难点，由热力学所引起的问题包括过热，热应力，热效应对产品尺寸的影响等等。

热力学问题常出现在电子产品相关的设计中,为了避免过热，需要在产品中设置冷却或散热装置，如风扇和水冷等，但另一方面,这些装置的存在也使得产品的体积变得更大，对于一个电子产品来说，如手机，体积过大是会严重影响美观的，所以怎样将产品体积设计的小而不受热力学效应影响从而高校工作是产品设计的一个难点。

当然，热力学分析也用在传统的工程机械中，如旋转摩擦现象产生的热效应。

热力学分析软件的出现使得产品在初期设计就可以发现问题所在，从而可以更大的节约开发时间和成本。

传导(Conduction ):物体内部的热量传递
对流(Convection ):物体被流体介质所包围，如水,空气等，物体和这些介质间发生热转移，热量进出物体。

辐射(Radiation ):同样是热量进出物体，只要是热源，彼此之间不论是否有介质，都会发生热辐射。

下图是一个说明这三种机理非常形象的例子：容器手柄内部的热量转移就是传导；热水和铁质容器之间的热量交换就是对流；火由于温度较高就会产生热辐射。

(1 )传导
传导发生的内部机理是因为分子或者中子的振动，使温度从高温区域向低温区域转移。

数学原理如下：
—个薄板件的热传导示意图
(2)对流
对流描述了物体表面和周围介质(如空气,水，油等等)的热交换。

决定对流强度的一个重要因素是对流系数。

数学原理如下：
对流又分为两种：自然对流(Natural Convection)和强制对流(Forced Convection)0自然对流的发生是由于热冷物质间的重力效应引起；强制对流由外部作用所引起(如风扇，自然风等)。

上图是一个LED灯的自然对流的例子。

由于LED等工作时温度较高，而上空的空气温度低,在重力作用下产生自然对流现象。

上图是一个强制对流的例子，为了给PCB板散热，加装风扇产生瞬时热转移的强制对流现象。

(3 )辐射辐射不论是否有介质，发热物体都会产生辐射，并且通过电磁波的作用散发出去。

上图是车灯内部的辐射现象，当车灯打开时,车灯发热,车灯和灯罩以及透镜之间产生热辐射。

我们都知道一个简单的自然现象：热胀冷缩，即物体受热膨胀,受冷收
缩，所以当温度在固体内部发生变化时，体积也会发生一定变化，但如果有一个外力作用到物体上阻止其发生变形,那么可以想象,这种情况下就会发生热应力。

如上图所示，一个杆件在加热时膨胀，如果让其自由膨胀而不加以约束变形，那么就不会产生热应力；但如果两端都固定时，由于限制了其变形，就会产生热应力，这是很好理解的。

PCB板上,当芯片受热时,其引脚受热变形产生热应力
根据材料特性、热传导力学形式和分析条件的不同，又可以将热传导分为
线性和非线性热传导两种。

O对于线性热传导分析，假设材料特性不会随看温度的改变而改变。

然而，大多数材料，特别是金属材料,其材料属性如导热系数,比热以及密度是
随看温度改变而改变的。

所以分析金属材料的遍度分布时,按理说是需要考虑这种非线性现象的。

O另外,对于传导和对流两种热传导，从数学表达式可以看出，热传导热量Q是和温度差成正比的，但辐射热量却是和温度的4次方的差成正比，所以辐射是高度的非线性现象，需要考虑非线性。

O此外,线性分析中要求加载和边界条件不变（热源和环境的遍度不变），这是需要一些假设的
非线性分析总是让人头疼的。

所以在现实生活中,虽然材料属性随看温度的改变而发生改变，但工程师为了简化问题,大多数时候都是通过一些简化和假设，通过线性分析来获得较为合理的结果。

在普通的结构分析模块中，是可以进行热力学分析的，比如赋予物体热源温度、给定对流系数和传导系数，那么就可以求出一些物理量，但前提假设是周围环境空气温度不变以及环境的稳定,比如我们一般设环境温度为20摄氏度。

但如果环境遍度随看时间发生改变，或者环境发生波动时（如风的作用），这时候，结构分析模块就搞不定了，需要借助。