deform中传热计算与abaqus传热计算结果的比较

deform和abaqus传热计算的比较

作者：清华大学机械系王欣博士

设计算例1：

假设管坯初始温度为1200℃，然后在空气中散热（考虑对流和表面辐射）放置100s时的温度场。两者使用完全相同的网格和节点，材料参数完全相同（deform的材料密度是内置的，abaqus取为7.8e-9 tonne/mm3），传热的边界条件完全相同：两个软件中设置的对流系数相同，环境温度相同，热辐射的发射率相同。

deform中设置：通过Heat exchange with environment设置管坯与环境的热交换，考虑对流和辐射（图1）。

图1 deform中管坯与环境热交换的设置

计算结果：

图2和图3分别为abaqus和deform计算的温度场，可以看出温度场的最小值和最大值基本相同，当云图的间隔取为8个时，两者的温度云图图例上间隔点的数值基本相同。再看云图的整体分布也基本相同。图4为取管坯上一条线上的点分别基于abaqus和deform计算得到的温度结果比较，可见两个软件计算的温度值高度吻合，基本是完全重合的。

结论：

abaqus和deform在对流和（表面）辐射的计算功能是完全相同的，基于相同的材料和网格，相同的散热条件，温度场计算结果完全相同。至少表明：Heat exchange with environment 这个deform中的功能与abaqus的对流计算是完全相同的结果，另外只要材料中有辐射的发射率，即deform一旦选择了Heat exchange with environment则自动考虑了辐射计算，貌似没有选项用于选择是否考虑辐射。

图2 abaqus 计算第100s 时的温度场

图3 deform 计算第100s 时的温度场 -1000100200300400500600700800

860

880

900920

940T e m p e r a t u r e /°C distance along surface of pipe axis /mm

abaqus deform 图4 abaqus 和deform 计算得到沿着图3所示的路径上管坯沿轴线表面的温度

设计算例2：

假设管坯初始温度为25℃，然后局部区域输入表面热流150mW/mm2，考虑输入热流区域的对流和表面辐射，计算100s时的温度场。

两者使用完全相同的网格和节点，材料参数完全相同（deform的材料密度是内置的，abaqus取为7.8e-9 tonne/mm3），传热的边界条件完全相同：两个软件中设置的对流系数相同，环境温度相同，热辐射的发射率相同。

本算例考察deform的热流输入的计算及其与abaqus的比较。deform的设置采用advanced→同时对某一局部区域考虑热流输入及该区域的散热（如图5）。

图5 deform的热边界条件

注明：下一个算例，表明：deform中Heat Flux与Heat Exchange with Environment这两个在施加的区域上不能重叠，并且即便不重叠使用，分别使用不同区域，仍会出现Heat Exchange with Environment中设置的区域也被施加了Heat Flux所设置的热流值。所以，我发现的一个问题，就是这两者不能同时使用，如果同时使用，Heat Exchange with Environment 设置的区域本来只有散热，结果也被全部加热了。

结论：

按照图5进行的设置，包含heat flux和对流及辐射的设置，其计算结果与abaqus软件中相同设置下计算结果完全相同，如图6~图8为两个软件的计算比较。经过计算和help 查询，已经确定deform的heat flux为表面热流，单位为mW/mm2，与abaqus具有完全一致的单位。deform中不能设置体积热流密度。

Heat Exchange with Environment、Heat Flux以及advanced这三个选项对定义区域是互相排斥的，也即在其中一个里边定义了某一区域，则在另一个里边不能再定义这个区域。因此advanced里定义可以同时实现在同一区域满足Heat Exchange with Environment和Heat Flux 的功能。

图6 abaqus计算第100s时的温度场

图7deform计算第100s时的温度场

-1000100200300400500600700800

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220240

260

280

300

T e m p e r a t u r e /°C distance along surface of pipe axis /mm deform abaqus

图8 abaqus 和deform 计算得到沿着图3所示的路径上管坯沿轴线表面的温度

设计算例3：（同算例2相比多了热流作用区域之外表面区域的对流和辐射）

假设管坯初始温度为25℃，然后局部区域输入表面热流150mW/mm 2，考虑输入热流区域的对流和表面辐射，同时考虑其他表面区域的对流和表面辐射，计算100s 时的温度场。

两者使用完全相同的网格和节点，材料参数完全相同（deform 的材料密度是内置的，abaqus 取为7.8e-9 tonne/mm 3），传热的边界条件完全相同：两个软件中设置的对流系数相同，环境温度相同，热辐射的发射率相同。

本算例考察deform 的热流输入的计算及其与abaqus 的比较。deform 的设置采用advanced →同时对某一局部区域考虑热流输入及该区域的散热（图9），以及Heat Exchange with Environment 中设置热流区域以外的区域的对流和辐射（如图10）。

图9 通过Heat Exchange with Environment 设置热流施加区域之外表面的散热

图10 通过advanced 设置热流施加区域的热流密度及其与环境的散热

结论：

本算例的设置特点为同时使用Thermal Boundary Condition 中的Heat Exchange with Environment 与advanced 两项实现局部热输入及整个管坯的外表面对流和辐射散热的设置。deform 计算结果如图11所示，100s 时整个管坯温度均升高，而且管端及管件中部预制孔处