第十一课 ANSYS热辐射
《热分析ansys教程》课件
05
热分析优化设计
优化设计的基本概念
01
优化设计是一种通过数学模型和计算机技术，寻找满足特定条 件下的最优设计方案的方法。
02
优化设计的基本概念包括目标函数、设计变量、约束条件和求
解算法等。
热分析优化设计是针对热学问题，通过优化设计来提高产品的
03
热性能和降低能耗。
ANSYS优化设计的步骤
定义设计变量
网格质量检查
对生成的网格进行检查， 确保网格质量良好，没有 出现奇异点或扭曲。
边界条件的设置
确定边界条件
根据分析对象的实际情况，确定合适的边界条件，如温度、热流 率等。
设置边界条件
在ANSYS软件中，将确定的边界条件应用到几何模型上。
验证边界条件
对设置的边界条件进行验证，确保其合理性和准确性。
04
傅里叶定律
热量传递与温度梯度成正比，即热流密度与温度梯度 成正比。
牛顿冷却定律
物体表面与周围介质之间的温差与热流密度成正比。
热力学第一定律
能量守恒定律，表示系统能量的增加等于传入系统的 热量与系统对外界所做的功之和。
热分析的三种基本类型
稳态热分析
系统达到热平衡状态时的温度分布。
瞬态热分析
系统随时间变化的温度分布。
网格划分问题
网格划分不均匀
在某些区域，网格可能过于密集，而 在其他区域则可能过于稀疏，这可能 导致求解精度下降或求解失败。
网格自适应调整问题
在某些情况下，ANSYS可能无法正确 地自适应调整网格，导致求解结果不 准确。
网格划分问题
手动调整网格
手动调整网格密度，确保在关键区域有足够的网格密度。
使用更高级的网格划分工具
ANSYS热分析详解
第一章简介一、热分析的目的热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。
热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。
二、ANSYS的热分析∙在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,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，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。
∙ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。
此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。
三、ANSYS 热分析分类∙稳态传热：系统的温度场不随时间变化∙瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化四、耦合分析∙热－结构耦合∙热－流体耦合∙热－电耦合∙热－磁耦合∙热－电－磁－结构耦合等第二章 基础知识一、符号与单位W/m 2-℃二、传热学经典理论回顾热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律:●对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕PE KE U W Q ∆+∆+∆=-式中: Q —— 热量;W —— 作功;∆U ——系统内能; ∆KE ——系统动能； ∆PE ——系统势能；● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ∆∆； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ∆=；●对于稳态热分析：0=∆=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ●对于瞬态热分析：dtdUq =，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
三、热传递的方式1、热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。
热传导遵循付里叶定律：dxdTkq -=''，式中''q 为热流密度（W/m 2），k 为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。
ANSYS工程应用教程_热与电磁学篇
ANSYS 工程应用教程_热与电磁学篇随着ANSYS 版本的不断更新，ANSYS 的应用领域也日益广泛。
作为融结构、热、流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电、等一般工业及科学研究领域。
热分析包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，电磁场分析包括二维静态、谐性、瞬态磁场分析，三维静态、谐性、瞬态磁场分析，高频电磁场分析和电场分析等。
ANSYS 热分析简介：图形用户界面方式（GUI ）或命令流方式进行计算。
ANSYS 如何进行热分析：实际上，其基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元（包含若干节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度，继而进一步求解出其他相关量。
耦合场分析：这类涉及两个和多个物理场相互作用的问题为耦合场分析。
主要方法有直接耦合和间接耦合。
直接耦合解法的耦合单元包含所有的自由度，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。
这种方法实际上是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。
间接耦合法又称为序贯耦合法，通过把第一磁场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现良种场的耦合。
三种基本传热方式：传导：当物理内部存在温度差时，热量将从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。
傅立叶定律，又称导热基本定律hot cold A(T T )t dQ κ-=，Q 为时间t 内的传热量，κ为热传导率，T 为温度，A 为面积，d 为两平面之间的距离。
对流：温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式。
流体被加热时：w f q h(t t )=-流体被冷却时：f w q h(t t )=-，w t 和f t 分别为壁面温度和流体温度，h 为对流热系数。
ANSYS热分析详解
ANSYS热分析详解ANSYS是一种常用的工程仿真软件，具有强大的多物理场耦合分析能力，其中热分析是其中一个重要的应用领域。
在ANSYS中进行热分析可以帮助工程师更好地了解物体在温度变化条件下的行为，从而优化设计方案。
下面将详细介绍ANSYS热分析的原理与流程。
首先，在进行ANSYS热分析前，需要进行前期准备工作。
包括建立几何模型，定义边界条件和导入材料参数等。
在建立几何模型时，可以使用ANSYS提供的建模工具或者导入CAD文件。
然后，需要定义材料参数，如热导率、比热等。
最后，需要定义边界条件，包括外界温度、边界热流、边界散热系数等。
接下来，进行热传导分析。
热传导分析是热分析的基础，用于计算物体内部的温度分布。
在ANSYS中，可以选择稳态或者瞬态分析。
对于稳态分析，需要设置收敛准则，使计算结果达到稳定状态。
对于瞬态分析，需要设置时间步长和总的仿真时间。
在进行计算时，ANSYS会利用有限元法对物体的几何形状进行离散化处理，并通过求解热传导方程来计算温度分布。
在得到物体内部的温度分布后，可以进行热应力分析。
热应力分析是在热传导分析的基础上引入力学应力计算的过程。
在ANSYS中，可以通过多物理场耦合分析的功能来实现。
首先，需要定义材料的线性热膨胀系数和弹性模量等力学参数。
然后，可以选择求解热固结方程和弹性平衡方程，来计算物体在温度变化条件下的应力分布。
除了热应力分析，还可以进行热辐射分析。
热辐射分析是在热传导分析的基础上引入辐射传热计算的过程。
在ANSYS中，可以选择不同的辐射模型来计算物体在温度变化条件下的辐射传热。
常用的辐射模型包括黑体辐射模型和灰体辐射模型等。
通过热辐射分析可以得到物体的辐射换热通量和辐射热功率等重要参数。
最后，进行结果分析和后处理。
在ANSYS中，可以对热分析的结果进行可视化和数据分析。
可以绘制温度云图、热应力云图等，从而更好地理解物体在热变形条件下的行为。
此外，还可以导出计算结果，并进行后续的工程设计和优化。
ANSYS培训教程：热分析-热辐射
ANSYS培训教程：热分析-热辐射什么是热辐射辐射是一种通过电磁波传递能量的方式。
电磁波以光速传播且无需任何介质。
热辐射仅为电磁波谱中的一小段。
因为由于热辐射引起的热流与物体表面绝对温度的四次方成正比，因此热辐射分析是高度非线性的。
分析热辐射问题ANSYS提供了三种方法分析热辐射问题：用LINK31，辐射线单元，分析两个点或多对点之间的热辐射；用表面效应单元SURF19或SURF22，分析点对面的热辐射；用AUX12，热辐射矩阵生成器，分析面与面之间的热辐射以上三种方法既可用于稳态热分析，也可用于瞬态热分析。
热辐射分析要注意温度的单位制，因为计算热辐射使用的温度单位是绝对温度。
如果在加载时使用的是华氏温度，就要设置460的差值；如果为摄氏温度，差值为273。
Command:TOFFSTGUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Analysis OptionsGUI: Main Menu>Solution>Analysis Options使用LINK31—辐射线单元LINK31是一个两节点非线性线单元，用于计算由辐射引起的两点之间的热传递。
此单元要求输入如下的实常数：有效的热辐射面积；形状系数辐射率Stefan-Boltzmann 常数使用表面效应单元表面效应单元可以方便地分析点与面之间的辐射传热。
SURF19用于两维模型，SURF 22用于三维模型。
单元应设置为包含辐射KEYOPT(9)。
五、使用AUX12—辐射矩阵生成器此方法用于计算多个辐射面之间的辐射传热。
这种方法生成辐射面之间形状系数矩阵，并将此矩阵作为超单元用于热分析。
AUX12方法由三个步骤组成：定义辐射面生成辐射矩阵在热分析中使用辐射矩阵1、定义辐射面(1)、PREP7中建模、划分网格。
辐射面往往是3D模型中的面或2D模型中的边，如下图所示：(2)、在辐射表面用SHELL57（3D）或LINK32（2D）划分网格。
ANSYS 热辐射实例教程ppt课件
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8-32
辐射例题
使用辐射矩阵单元的热沉分析
• 设置单元属性为 TYPE= 4 • 读入超单元矩阵文件生成辐射单元。指定使用的文件名。
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8-33
辐射例题
使用辐射矩阵单元的热沉分析
• 求解前删除或不选 LINK32 单元。 • 进入求解器。 • 设置分析选项。 • 指定 TOFFST合适数值, 本例为460 。 • 在空间结点上施加温度约束90 ° F。
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8-44
辐射例题
使用辐射矩阵单元的热沉分析
• 热沉中的温度场分布, NON-HIDDEN 方法。与HIDDEN 求解的结果 比较，他们是不同的:
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8-45
辐射例题
使用辐射矩阵单元的热沉分析
• 响应求解列表，使用NON-HIDDEN 求解。与前面HIDDEN方法比较 并检查它们没有不同 :
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8-46
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8-1
模型尺寸:
辐射例题
使用辐射矩阵单元的热沉分析
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8-2
辐射例题
使用辐射矩阵单元的热沉分析
指南: • 热沉材料为铝合金，KXX = 8.5 BTU/hr-in-°F。 • 使用 BIN 单位进行分析。 • 所有叶片的对流面其 h为常数。 • 使用带有附加结点的SURF151 单元施加对流。 • 热沉端面是绝热的。
注: 不是所有菜单和步骤在后面都详 细叙述。
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8-38
辐射例题
使用辐射矩阵单元的热沉分析 • 本图确认了包含在辐射矩阵中的平面，使用NON-HIDDEN 方法。
叶片顶端平面 (在图 中圈出) 要作为单独 的辐射矩阵。
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8-39
辐射例题
使用辐射矩阵单元的热沉分析
ansys辐射分析
6.9.4计算并验证形状系数选项然后可以计算形状系数，并验证和得到平均值。
计算并存储形状系数：命令：VFCALCGUI：Main Menu>Radiation>Compute可用如下命令列出所选择单元对的形状系数并计算平均系数：命令：VFQUERYGUI:Main Menu>Radiation>Query用如下命令可将平均系数提取出来：*GET,Par,RAD,VFAVG6.9.5设定载荷选项如果模型有均匀的温度，本步将设定初始温度。
还需要定义载荷步并将边界条件的变化形式设定为渐变。
对所有节点设定初始的均匀温度命令：TUNIFGUI:Main Menu>Solution>Settings>Uniform Temp设定载荷步数量或时间步命令： SUBST或DELTIMGUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequenc>Freq and Substps or Time and Substps Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequenc>Time-Time Step由于热辐射是高度非线性的，应设定渐变的边界条件命令： KBCGUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequency>Time-Time Step6.10静态热辐射分析的几点建议对于只有热流密度(HFLUX)或热流率（HEAT）边界条件的热辐射问题，或热辐射作为热传递主导方式的问题（即低导热系数），应采用“伪瞬态”求解方法来求解静态问题。
主要有如下三个步骤：1．在定义材料属性时，定义材料的密度和比热为常值。
设定这两个材料值的大小并不重要，因为最终是求解稳态问题；2．将求解类型设定为瞬态问题命令：ANTYPTGUI:Main Menu>Solution>New Analysis3．将准静态辐射分析求解为稳态问题命令：QSOPTGUI:Main Menu>Preprocessor>-Load StepOptions->Time/Frequency>Quasi-Static只有当SOLCONTROL,ON时，QSOPT命令才有效。
(最新整理)ANSYS热分析详解
(完整)ANSYS热分析详解编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)ANSYS热分析详解）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
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第一章简介一、热分析的目的热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。
热分析在许多工程应用中扮演重要角色,如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。
二、ANSYS的热分析•在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,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，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。
•ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式.此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。
三、ANSYS 热分析分类•稳态传热:系统的温度场不随时间变化•瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化四、耦合分析•热－结构耦合•热－流体耦合•热－电耦合•热－磁耦合•热－电－磁－结构耦合等第二章 基础知识一、符号与单位 W/m 2—℃ 二、传热学经典理论回顾热分析遵循热力学第一定律,即能量守恒定律:● 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕PE KE U W Q ∆+∆+∆=-式中： Q —— 热量；W -- 作功；∆U ——系统内能；∆KE ——系统动能;∆PE —-系统势能；●对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ∆∆； ●通常考虑没有做功:0=W ， 则：U Q ∆=； ● 对于稳态热分析：0=∆=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量;●对于瞬态热分析：dt dU q =,即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
ANSYS WORKBENCH 11.0热分析
面，如果两侧都被指定成接触面或目标面，则称为对称接触。 但是，在热分析中，指定哪一侧是接触面，哪一侧是目标面并不 重要。 • 缺省时，DS对实体装配体使用对称接触。 对ANSYS Professional 及更高级licenses ，用户可在需要时改 为反对称接触。
Availability
x x
x
In the figure on the left, the solid green double-arrows indicate heat flow within the contact region. Heat flow only occurs if a target surface is normal to a contact surface.
Availability
x x
x
Model shown is from a sample Inventor assembly.
… 装配体 – 接触区
• 在DS中，每个接触区都用到接触面和目标面的概念。
– 接触区的一侧由接触面组成，另一侧由目标面组成。 – 在接触的法向上允许有接触面和目标面间的热流。
Initially Touching
Inside Pinball Region Outside Pinball Region
Yes
Yes
No
Yes
Yes
No
Yes
No
No
Yes
No
No
– 接触的 pinball 区域由程序自动定义并被设置一个相对较小的 值，以调和模型中可能出现的小间隙。pinball 区域将在下一
The light, dotted green arrows indicate that no heat transfer will occur between parts.
ANSYS热分析详解解析
A N S Y S热分析详解解析-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第一章简介一、热分析的目的热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。
热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。
二、ANSYS的热分析在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,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，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。
ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。
此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。
三、ANSYS 热分析分类稳态传热：系统的温度场不随时间变化瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化四、耦合分析热－结构耦合热－流体耦合热－电耦合热－磁耦合热－电－磁－结构耦合等第二章基础知识一、符号与单位W/m 2-℃二、传热学经典理论回顾热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律:●对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕PE KE U W Q ∆+∆+∆=-式中: Q —— 热量;W —— 作功;∆U ——系统内能; ∆KE ——系统动能； ∆PE ——系统势能；● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ∆∆； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ∆=；●对于稳态热分析：0=∆=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ●对于瞬态热分析：dtdUq =，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
三、热传递的方式1、热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。
热传导遵循付里叶定律：dxdT kq -=''，式中''q 为热流密度（W/m 2），k 为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。
ANSYS热辐射解析
第六章热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。
电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。
热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。
由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。
物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-8 6.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。
式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。
表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dA I及dA J，然后进行数字积分。
辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。
在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。
Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。
第十一课 ANSYS热辐射
求解方法2：应用表面效应单元求解热辐射问题
应用表面效应单元可以方便地计算点与面间的辐射，包括2D的SURF151及 3D的SURF152单元： 首先在实体单元的辐射表面覆盖一层表面效应单元； 单元关键选项KEYOPT(9)激活这些单元的热辐射分析功能； 如果设置KEYOPT(9)＝1（缺省值），则可在单元实常数中定义形状系 数； 如果设置KEYOPT(9)＝2或3，则程序基于单元表面的法向与附加节点的 位置关系、考虑余弦效应，计算形状系数。 使用表面单元进行热辐射分析的实例，请参考《ANSYS 校验手册》： VM192 Cooling of a billet by radiation
显示单元辐射方向的方法
• 命令：/PSYMB,ESYS,1 • GUI: Utility Menu>PlotCtrls>Symbols, 将ESYS Element Coordinate设置为ON。 • 定义一个空间节点，用于吸收没有被模型中其它辐射面吸 收的辐射能量。这个节点的位置是任意的，对于一个开放 系统通常需要空间节点，而对于封闭系统则不得设置空间 节点
ANSYS/ Emag
ANSYS/ FLOTRAN
ANSYS/ Mechanical
由NordriDesign提供
ANSYS/ Thermal
ANSYS/ Structural
ANSYS/ LinearPlus
热辐射的定义
热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。电磁波以 光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介 质无关。热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。 由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方 成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。物 体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：
ANSYS(热辐射)
GUI：Main Menu > Preprocessor > Modeling> Create>Element>Auto Numbered>Thru Nodes，出现Element from nodes菜单，在文本框中输入1，2，单击OK。
波长发射热的能力。这是一个无量纲数值。
平面在所有方向用所有波长发射的总能量 (热 流单位) 由施蒂芬-波斯曼定律确定:
E q T 4
A
q
q
Diffuse Surface
Spectral Surface
4
平面可以理想化为散射或反射装置。散射装置 会将辐射均匀反射到所有方向，而不管辐射源 的方位:
通常情况下，平面可以被理想化为散射或反射 面。反射平面会将辐射以近乎镜象的方式反射:
没有实际的平面是真正的散射或反射面。比较 灰暗的平面接近散射面，高度抛光的平面接近 反射面。
5
为了简化计算，平面的辐射特性可以在所有的 波长和方向平均。因此，在散射和反射平面之 间没有差别。
两平面间的辐射热传递与它们平面绝对温度差 的四次方成正比:
27
GUI：Main Menu > Radiation Matrix > Other Setting AUX12 用不同的算法计算2D 或3D 模型的形状系数。AUX12
默认为3D。2D 分为纯平面或轴对称，默认为纯平面。 定义每个辐射面的辐射率 命令：EMIS GUI：Main Menu > Radiation Matrix > Emissivities 辐射面的辐射率ANSYS 默认为1。 定义Stefan-Boltzmann 常数 命令：STEF GUI：Main Menu > Radiation Matrix > Other Settings Stefan-Boltzmann 常数
ANSYS热辐射
第六章热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。
电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。
热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。
由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。
物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-8 6.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为―灰体‖，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。
式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。
表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dA I及dA J，然后进行数字积分。
辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。
在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。
Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。
ansys热分析
ansys热分析ANSYS热分析引言热分析是一种在工程领域广泛应用的分析方法，它可以用来研究物体在不同温度条件下的热传导、热扩散和热辐射等问题。
ANSYS是一款被广泛应用于工程仿真的软件，其中包括了强大的热分析功能。
本文将介绍ANSYS热分析的基本原理、流程以及在不同工程领域中的应用。
一、ANSYS热分析的基本原理ANSYS热分析基于热传导和热辐射的基本原理，通过数学和物理模型来描述和分析物体在不同温度条件下的热行为。
热传导是指热能通过物质内部的分子运动传递的过程，而热辐射则是指物体通过电磁波的辐射传递热能的过程。
热分析可以帮助工程师预测和优化物体在真实工作环境下的热性能，从而提高产品的质量和可靠性。
二、ANSYS热分析的流程ANSYS热分析的流程通常包括几个基本步骤，下面将逐一介绍：1. 几何建模：在进行热分析之前，需要通过ANSYS软件进行几何建模，将待分析的物体建模成三维几何模型。
这一步骤可以使用ANSYS的几何建模工具来完成，如DesignModeler等。
2. 网格划分：在几何建模完成后，需要将几何模型分割成小的单元，如三角形或四边形等，以便进行数值计算。
这一步骤被称为网格划分或网格生成，通常使用ANSYS的网格划分工具进行。
3. 材料属性设置：在进行热分析之前，需要对物体的材料属性进行设置，如热导率、比热容等。
这些参数将影响热传导的速度和过程。
4. 边界条件设置：在热分析中，需要设置物体的边界条件，如温度边界条件、热通量边界条件等。
这些边界条件描述了物体在不同部位的热输入和输出。
5. 求解和结果分析：在完成前面的步骤后，可以使用ANSYS的求解器来求解热传导方程和辐射传热方程。
求解完成后，可以对结果进行分析，如温度分布、热流量等。
三、ANSYS热分析在不同工程领域中的应用1. 汽车工程：ANSYS热分析在汽车工程领域中有着广泛的应用。
例如，可以通过热分析来研究发动机的热耗散问题，优化散热系统的设计，提高发动机的工作效率和寿命。
关于Ansys workbench热辐射APDL、Enclosure等的一些讨论
关于Ansys workbench热辐射APDL、Enclosure等的一些讨论ANSYS workbench对于热分析初学者来说相对比较容易简单上手，市面上和网络上也有不少的相关教程。
但是初学者在学到workbench中的热辐射一节时，往往会有一些疑惑。
本文将根据作者的一些理解以及大量的验证性例子，为大家进一步剖析一下，希望对初学者有所助益。
初学者学到热辐射这一节时通常会碰到如下几个问题：1、workbench平台中mechanical进行热辐射时，通过点击工具栏的相关快捷按扭仅能完成几何体对空气的热辐射？2、Workbench想要完成两个或者多个几何体之间的热辐射设置，只能通过APDL？APDL里的所谓的“封闭体数量”是指什么？3、Mechanical平台能否通过点击工具栏完成多个体之间的热辐射？4、Enclosure到底怎么设置，指的是什么？下面作者将对以上4个问题逐一进行讲解，并给出相应的计算结果进行验证。
问题一：workbench平台中mechanical进行热辐射时，通过点击工具栏的相关快捷按扭仅能完成几何体对空气的热辐射？讲解：很多初学者在一些参考书里都能看到这样一段话，就是通过点击工具栏仅仅能完成几何体对环境（空气）的热辐射而无法完成2个面或者多个面之间的热辐射。
对此我们先从下边一个例子开始讲起。
当我们模拟一个物体在空气中自然冷却的时候，mechanical中的设置比较简单，只需要设置物体的发射率和环境温度即可。
这里我们假设有一个直径1000mm的半球壳，球壳厚度50mm，初始温度100°，球壳外表面绝热，内表面参与热辐射。
计算它在23°空气中的导热情况，显然最后球体稳定下来的温度应该和环境温度一致，即23°。
相关设置情况和最终结果如下图所示。
仔细的读者可能已经发现在菜单栏radiation热辐射设置中，在correlation的下拉菜单里有一个surface to surface（面对面辐射）的选项。
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表面效应单元问题描述(辐射问题）
A carbon steel billet is initially at a temperature TB and is supported in such a manner that it loses heat by radiation from all its surfaces to surroundings at temperature TE. Determine the temperature TB of the billet at the end of 3.7 hours.
Y
Z
X
有限元方法及CAE软件
机械电子及信息系统研究所 耿海鹏 haipenggeng@
ANSYS/ Multiphysics ANSYS/ LS-DYNA
ANSYS/ Emag
ANSYS/ FLOTRAN
ANSYS/ Mechanical
由NordriDesign提供
生成辐射矩阵的步骤
1．进入Aux12 命令：/AUX12 GUI：Main Menu>Radiation 2. 选择构成辐射面的节点和单元。较简便的方法是根据单元属性选择（如单元 类型）选择单元，然后选择所有Attached to单元的节点（同时应注意将空间 节点也选择进来）: 命令：ESEL,S,TYPE和NSEL GUI:Utility Menu>Select>Entities 3. 确定所分析的模型是3D还是2D 命令：GEOM GUI:Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings AUX12采用不同的算法分别计算2D和3D模型的形状系数，AUX12默认为3D。2D 可以是平面的（NDIV＝0），也可以是轴对称的（NDIV >0），缺省为平面的。 轴对称模型在内部展成3D，NDIV是圆周方向分割数量。例如NDIV＝10，则每 段为36度。
生成辐射矩阵的步骤（conti）
4．确定辐射率（缺省为1.0）： 命令：EMIS GUI:Main Menu>Radiation Matrix>Emmisivities 5. 定义Stefan-Baltzmann常数（缺省情况下，英制单位为0.119×10-10 Btu/hr-in2-R4，国际单位制为5.67×10－8W/m2K4）。 命令：STEF GUI：Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings
求解方法2：应用表面效应单元求解热辐射问题
应用表面效应单元可以方便地计算点与面间的辐射，包括2D的SURF151及 3D的SURF152单元： 首先在实体单元的辐射表面覆盖一层表面效应单元； 单元关键选项KEYOPT(9)激活这些单元的热辐射分析功能； 如果设置KEYOPT(9)＝1（缺省值），则可在单元实常数中定义形状系 数； 如果设置KEYOPT(9)＝2或3，则程序基于单元表面的法向与附加节点的 位置关系、考虑余弦效应，计算形状系数。 使用表面单元进行热辐射分析的实例，请参考《ANSYS 校验手册》： VM192 Cooling of a billet by radiation
求解设置界面
求解方法3：应用AUX12辐射矩阵生成器求解热辐射问题
只有ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，Thermal等产品提供 AUX12，用于计算多个辐射面之间的辐射热传递。AUX12生成辐射面间的 形状系数矩阵，并将此矩阵作为超单元用于热分析。分析模型可包含隐 藏面或部分隐藏面，以及能吸收辐射能量的“空间节点”。使用AUX12计 算面与面之间的辐射可分为以下三个步骤： （1）定义辐射面 （2）生成辐射矩阵 （3）将辐射矩阵用于热分析
ANSYS/ Thermal
ANSYS/ Structural
ANSYS/ LinearPlus
热辐射的定义
热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。电磁波以 光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介 质无关。热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。 由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方 成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。物 体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定ห้องสมุดไป่ตู้：
在辐射面上覆盖一层SHELL57（3D）或LINK32（2D）单 元。最好的方法是先选择辐射面的节点，然后用下面的 方法创建面上的单元： 命令：ESURF GUI:Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf Effect>Extra Node Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Surf Effect>No extra Node
黑体辐射
如图所示为一黑体,表面积为1m2,形状系数和辐射率均 为1,温度T为2000℃，环境温度Ta为0°C,求黑体的辐射 热流率。
该问题属于热辐射问题,选择LINK31热辐射单元进行求解。
定义单元类型
定义实常熟
建立节点
注意:这里的辐射节点和其它节点的区别
建立单元
加载和求解
辐射求解器
查看结果
分析热辐射问题
针对不同的情况ANSYS为热辐射分析提供了四种方法。 热辐射线单元（LINK31），模拟两节点间（或多对节点）间辐射； 表面效应单元（SURF151及SURF152），模拟点对面（线）的辐射； 利用AUX12生成辐射矩阵，模拟更一般的面与面（或线与线）的辐射(只 有ANSYS/Multiphysics,ANSYS/Mechanical和ANSYS/Professional这 些产品提供辐射矩阵生成器)； Radiosity求解器方法，求解二维、三维面与面之间的热辐射，该方法对 所有含温度自由度的二维和三维单元都适用。(只有Multiphysics， ANSYS/Mechanical和ANSYS/Professional这些产品提供Radiosity求 解器) 可以将上面四种辐射方法中的任何一种用于稳态或瞬态热分析中。 辐射是一种非线性现象，因此需要进行平衡迭代来得到收敛解。
计算参数
建模
• • • • • • • • • • • • • • • • • ET,1,SOLID70 ! 3-D THERMAL SOLID ELEMENT ET,2,SURF152,,,,1,1 ! 3-D THERMAL SURFACE EFFECT ELEMENTS KEYOPT,2,9,1 ! RADIATION OPTION R,2,1,0.1712E-8 ! FORM FACTOR = 1, STEFAN-BOLTZMANN CONSTANT MP,KXX,1,10000 ! ARBITRARY CONDUCTIVITY MP,C,1,0.11 MP,DENS,1,487.5 MP,EMIS,2,1 ! BLACK BODY EMISSIVITY BLOCK,,2,,2,,4 ESIZE,,1 VMESH,1 ! MESH WITH A SINGLE SOLID70 ELEMENT TYPE,2 REAL,2 MAT,2 N,100,5,5,5 ! EXTRA "SPACE" NODE FOR RADIATION ESURF,100 ! GENERATE SURF152 ELEMENTS FINISH
创建AUX12的方法
在2D有限元模型的辐射边上覆盖一层LINK32单元，或在3D有限 元模型的辐射面上覆盖一层SHELL57单元，步骤如下：
在前处理中创建热分析模型。由于辐射表面不支持对称条件，包含辐射的 模型就无法利用几何上的对称性，因此必须建立完整的分析模型。
创建AUX12的方法（conti）
基本概念(conti)
• 形状系数
形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法 计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。 表面I与表面J之间的形状系数为：
形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数； 由于能量守恒，所以： 根据相互原理 由辐射矩阵计算的形状系数为：
式中:θ－单元法向与单元I,J连线的角度 r－单元I,J重心的距离 有限单元模型的表面被处理为单元面积dAI及dAJ，然后进行数字积分。
基本概念(conti)
辐射对 在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开 放的或是闭合的。在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可 以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每 一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的 空间节点。 Radiosity 求解器 当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面 上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。而面上的热流为接下来的热 传导分析提供了有限元模型的边界条件。重复上面的过程，就会由于新 的时间步或者新的迭代循环会得到新的热流边界条件，从而计算出新的 温度分布。在计算中使用的每个表面的温度必须是均匀的，这样才能满 足辐射模型的条件。
显示单元辐射方向的方法
• 命令：/PSYMB,ESYS,1 • GUI: Utility Menu>PlotCtrls>Symbols, 将ESYS Element Coordinate设置为ON。 • 定义一个空间节点，用于吸收没有被模型中其它辐射面吸 收的辐射能量。这个节点的位置是任意的，对于一个开放 系统通常需要空间节点，而对于封闭系统则不得设置空间 节点
创建AUX12的方法（conti）
• 在执行上述命令之前，要确定首先激活了相应的单元类型及材料 属性，如果不同辐射面的辐射率不同，建议用材料编号来区分这 些面。还要注意SHELL57或LINK32的节点一定要与相应实体单元 对应节点编号重合。否则计算结果将是错误的。 • 所覆盖的SHELL57或LINK32单元的方向是非常重要的。AUX12假设 辐射方向是SHELL57单元坐标系的正Z向或LINK32单元坐标系的正 Y向，因此必须正确地划分覆盖层的网格以使辐射面相对。单元 的方向是由节点的排列顺序决定的，如下图所示: