有限元分析-热分析报告
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式中:
q’’=h(TS-TB)
➢ h为对流换热系数(或称膜传热系数、给热系数、 膜系数等);
➢ TS为固体表面的温度; ➢ TB为周围流体的温度。
(3)辐射:热辐射是指物体发射电磁能,并被其 它物体吸收转变为热能的热量交换过程。物体 温度越高,单位时间辐射的热量越多。热传导 和热对流都需要有传热介质,而热辐射无须任 何介质。 实质上,在真空中的热辐射效率最高。在 工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐 射,系统中每个物体同时辐射并吸收热量,它 们之间的净热量传递可以用如下斯蒂芬—波尔 兹曼方程来计算:
从上式可以看出,包含热辐射的热分析是 高பைடு நூலகம்非线性的。
(4)比热容(Specific Heat):是指单位质量的 物质每升高(或降低)1℃所吸收(或放出)的 热量,简称比热,其单位为J/(Kg.℃)。其计算 公式为: C=Q/(m.△T) 式中:△T= TE-TB,为TE为终止时刻温度;TB 为开始时刻温度;Q为该时间段内物体吸收或 放出的总热量;m为质量。
其中,ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。
ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方 程,用有限元法计算物体内部各节点的温度,并 导出其它热物理参数。
运用ANSYS软件可进行热传导、热对流、热 辐射、相变、热应力以及接触热阻等问题的分析 求解 。
此外,ANSYS不仅能解决纯粹的热分析问 题,还能解决与热相关的其它问题,如热—应 力分析、热—电分析、热—磁分析等。一般称 这类涉及两个或多个物理场相互作用的问题为 耦合场分析。
(5)生热率:生热率既可看成是材料的一种基本 属性,又可作为载荷施加在单元上。它可以施 加在有限元模型的节点及单元上,也可以施加 在实体模型的关键点、线段、面及体上。
(6)热辐射率:热辐射率也是一种面载荷,通 常施加于实体的外表面。它可以施加在有限元 模型的节点及单元上,也可以施加在实体模型 的线段和面上。
在ANSYS热分析中,在确定分析选项,即 Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options的对话框中有一个选项:Temperature difference,该选项用于确定绝对零度,即需要 将目前的温度值换算为绝对温度。如果在热分 析过程中使用的温度单位是摄氏度,则该值应 设定为273。
CGS代表厘米、克、秒单位制,其基本单 位为cm,g,s,℃。
BFT代表以英尺为主的英制单位制,其基 本单位为ft,slug,s,℉。
BIN代表以英寸为主的英制单位制,其基本 单位为in,ibm,s,℉。
USER代表用户自定义单位制,即用户可以 根据需要定义基本单位。
三、热分析时的三类边界条件和初始条件: 第一类边界条件:物体边界上的温度函数已知; 第二类边界条件:物体边界上的热流密度已知; 第三类边界条件:与物体相接触的流体介质的温
(2)对流:热对流是指固体的表面与它周围接触 的液体或气体(统称为流体)之间,由于温差 的存在而引起的热量交换。 高温物体表面(如暖气片)常常发生对流 现象,这是因为高温物体表面附近的空气因受 热而膨胀,密度降低并向上流动。与此同时, 密度较大的冷空气下降并代替原来的受热空气。
热对流可以分为两类:自然对流和强制对流。
(3)对流:对流(Convection)是一种面载荷, 用于计算流体与实体的热交换。它可以施加在 有限元模型的节点及单元上,也可以施加在实 体模型的线段和面上。
(4)热流密度:又称热通量(Heat Flux)单位为 W/m2。热流密度是一种面载荷,表示通过单 位面积的热流率。当通过单位面积的热流率已 知时,可在模型相应的外表面施加热流密度。 若输入值为正,则表示热流流入单元;反之, 则表示热流流出单元。它可以施加在有限元模 型的节点及单元上,也可以施加在实体模型的 线段和面上。
ANSYS提供了两种分析耦合场的方法:直 接耦合法与间接耦合法。
二、单位制问题:在ANSYS热分析过程中,不一 定都要采用国际单位制,但必须要使所有物理 量的单位统一起来。 ANSYS中共有五种单位可供选择(命令流 方式:/UNITS;或Main menu>Preprocessor>Material Props>Material Library >Select Units): SI(MKS)代表国际单位制,其基本单位 为m,kg,s,K。
度和换热系数已知。 初始条件:初始条件是指传热过程开始时,物体
在整个区域中所具有的温度为已知值。
四、热分析时的载荷:ANSYS共提供了6种载荷, 可以施加在实体模型或单元模型上。
(1)温度:作为第一类边界条件,温度可以施加 在有限元模型的节点上,也可以施加在实体模 型的关键点、线段及面上。
(2)热流率:热流率(Heat Flow)是一种节点 集中载荷,只能施加在节点或关键点上,主要 用于线单元模型。
式中:
q=êɡA1F12(T41-T42)
➢ q为热流率;
➢ ê为实际物体的辐射率,或称黑度,它的数值
处于0~1之间;
➢ ɡ为斯蒂芬—波尔兹曼常数,约为
5.67×108W/m2.K4;
➢ A1为辐射面1的面积; ➢ F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数; ➢ T1为辐射面对1的绝对温度; ➢ T2为辐射面2的绝对温度。
五、热分析时的三种传热方式及材料基本属性
(1)热传导:当物体内部存在温差,即存在温度 梯度时,热量从物体的高温部分传递到低温部 分;而且不同温度的物体相互接触时热量会从 高温物体传递到低温物体。这种热量传递的方 式称为热传导。 Q/t=KA(Thot-Tcold)/d 式中:Q为时间t内的传热量或热流量;K为热 传导率或热传导系数;
7.1 有限元技术在热分析中的应用
主要讲授三方面内容:
➢ ANSYS热分析基础知识简介 ➢ 稳态热分析实例 ➢ 瞬态热分析实例
7.1.1 ANSYS热分析基础知识简介
一、ANSYS热分析功能介绍 ANSYS热分析模块主要有:
➢ ANSYS/Multiphysics ➢ ANSYS/Mechanical ➢ ANSYS/Thermal ➢ ANSYS/FLOTRAN ➢ ANSYS/ED