Ansys热分析教程第二章基本概念

因此，本模型不能得到精确的附 加结果(如热流和温度梯度) 。
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步骤 1 - 菜单显示过滤为热
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W1-25
步骤 2: 改变工作文件名
1
注:所有文件，除了log和err文件，将命名 为工作文件名.ext
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步骤 3: 改变标题
1
注: 标题显示在图形窗口的下面。它写入 载荷步并出现在后处理的结果窗口中。
Where, hf = convective film coefficient TS = surface temperature TB = bulk fluid temperature
对流一般作为面边界条件施加
TB
Ts
从平面 i 到平面 j 的辐射热流由施蒂芬-玻斯曼定律得出:
Q Ai Fij (Ti4 Tj4 ) heat flow rate from surface i to surface j
温度 热流量 热传导率 密度 比热 对流换热系数 热流 温度梯度 内部热生成
Degrees F BTU / hr BTU / ( hr - inch - degree F ) lbm / ( inch3 ) BTU / ( lbm - degree F ) BTU / ( hr - inch2 - degree F ) BTU / ( hr - inch2 ) degree F / inch BTU / ( hr - inch3 )
T = an allowable virtual temperature
S2 surfaces with applied flux S3 surfaces with applied convection
将区域分解(也称“划分”) 为简单的形状; 2-D模型中的四边形 和/或三角形, 3-D模型中的四面体，金字塔形或六面体。
Where, = Stefan - Boltzmann Constant
i
= emissivity
Ai = area of surface i
Fij = form factor from surface i to surface j
j
Ti = absolute temperature of surface i Tj = absolute temperature of surface j
S2
S3
vol
where vol = volume of the element
l qL T LNMx
y
z
OQP
q* = heat flux, hf film coefficient, TB bulk fluid temp. q heat generation per unit volume
C mTr + K lTq lQq
热
温度 热流率 热通量 (施加的) 温度梯度 热通量 (计算的) 内部热生成 (热/体积) 无 对流 辐射 恒温器
模型几何形状，材料和载 荷：
假设和边界条件:
对流
y
T bulk = 80 °F
h = 0.4 BTU/hr-in2-°F
K=10 BTU/hr-in-°F
当比热矩阵，热传导率矩阵和/或等效结点热流向量是温度的函 数时，分析就是非线性的，需要迭代求解平衡方程。如果所有三 项都是与温度有关的，那么控制方程可以写为如下形式:
m r l q l q C(T) T + K(T) T Q(T)
下面几项都可以使得分析包括非线性:
◦ 与温度有关的材料特性 ◦ 与温度有关的对流换热系数 ◦ 使用辐射单元 ◦ 与温度有关的热源(热流或热流矢量) ◦ 使用耦合场单元(假设载荷向量耦合)
注: PLANE55 热块体单元可 以使用双线性温度。
按下列步骤分析并后处理: 1. 绘制温度场云图。 2. 生成板上表面温度的路径显示图。 3. 绘制热流向量图和X方向热流云图。 4. 得到板中的热能损失。
重要
本分析目的是得到精确的 基本 结果。
为了提高求解效率，我们在板厚 方向都只划分一个单元。
注, 对于结构热容量, 密度/Gc 和比热*Gc 经常使用该 单位。其中Gc=386.4 (lbm - inch)/(lbf-sec2)
热传递有三种基本类型: ◦ 传导 - 两个良好接触的物体之间的能量交换或一 个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。 ◦ 对流 - 在物体和周围介质之间发生的热交换。 ◦ 辐射 - 一个物体或两个物体之间通过电磁波进行 的能量交换。
generated
将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。
热传导的控制微分方程
F I F I F I HG KJ HG KJ HG KJ x
Kxx
T x
+ y
Kyy
T y
+ z
Kzz
T z
+ q c dT dt
expanding the total time derivative, yields
一般来说，稳态分析中网格上结点温度比实际温度要低。也就是 说，如果加密网格，温度将增加，但加密到一定程度，结果将不 显著增加(也就是说, 结果收敛)。
T
网格密度
引起奇异性的原因
◦ 整体求解的奇异性 在稳态分析中当有热量输入(比如, 施加结点热流，热流，内部热源)而无热 流流出(指定的结点温度，对流载荷等)，稳态的温度将是无限大的。 等同于结构分析中的刚体位移。
网格划分误差度量( 续 )
◦ 误差限SMNB和SMXB - 当用云图绘制不 连续数值(温度梯度和热流)时(误差估计 功能处于打开状态), SMNB和SMXB将出
现在图例区域，表示出该数值不连续的 范围。
网格划分误差度量( 续)
◦ 例如: 假如云图显示的是X方向的平均结点热流(PLNS,TF,X), SMNB和SMXB将显示 在图例中，其计算方法如下:
◦ TERR - 估计选定单元中的热耗散能。单位是能量单位，比如, BTU, 焦耳等.在 POST1中可以使用ETABLE命令存储，排序和列表 。TERR的云图可以使用 Contour Plot > Element Solution来完成。
◦ TDSG－单元中最大的热通量偏差。计算单元中每个节点在任意方向上平均热通 量和非平均热通量之间的最大差值。单位是热通量单位，比如，BTU/(hour in2 )。存储，排序，列表和绘图方法与TERR类似。
◦ 温度梯度/热流奇异性 如果对点热源处的网格细分下去的话，梯度/热流将无限增加。 凹角和网格中的“裂缝”。 形状不好的单元。
实际上任何产生不连续热通量区域的有限元模型都是有误差的。在单 元边界上的热通量不连续的大小将作为ANSYS误差估计的基础。
网格划分误差估计一般用于实体和壳单元，而且单元所在区域的单元 类型是相同的（具有共同的特性），热通量在该区域中也就是连续的。
T thermal gradient in direction n n
负号表示热沿梯度的反向流动 (例如, 热从热的部分流向冷的).
q*
T
dT dn
n
对流的热流由冷却的牛顿准则得出:
q* hf (TS TB ) heat flow rate per unit area between surface and fluid
在绝大多数情况下，我们分析的热传导问题都带有 对流和/或辐射边界条件。
传导的热流由传导的傅立叶定律决定：
q*
Knn
T n
heat
flow
rate
per
unit
area
in
ห้องสมุดไป่ตู้
direction
n
Where, Knn = thermal conductivity in direction n
T = temperature
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W1-27
步骤 4: 定义单元类型
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W1-28
步骤 4: 续…单元类型定义- 热块单元 PLANE55
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注: 对于本单元, T(x,y) =a + bx + cy + dxy
将控制微分方程转化为等小的积分形式( 参阅ANSYS理论手册第
6.1 节 )。
z FHG FHG l q l q IKJ l q c l q hIJ cT T + v T L T + L T (T) D L T d(vol)
K vol
t
z z z T q*d(S2 ) + T hf (TB T) d(S3) + T qd(vol)
SMXB max (qix + TDSGmax ) for all selected nodes SMNB min (qix TDSGmax ) for all selected nodes
where qix average nodal flux in the x - direction at node "i" and TDSGmax maximum TDSG of any selected element that connects to node "i".
0.6
基础温度 = 300 °F
0.1 x
非绝热端
• 板的根部(x=0)温度为300 °F
• 板端 (x=0.6) 为 非绝热的。
• 对流换热系数和流体介质温度不 变
• 所有尺寸单位为英寸。 • 板使用2D模型。 • 假设为单位厚度。
• 均匀各向同性材料。
W1-23
划分网格: 1. 使用PLANE55单元, 并假设单位厚度。 2. 在厚度方向上使用一个单元。 3. 在长度方向上使用12个单元。
在ANSYS中将辐射按平面现象处理(i.e., 体都假设为不透明的)。