第五章 表面效应单元

第五章 表面效应单元

5.1简介

表面效应单元类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。它利用实体表面的节点形成单元。因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量。

ANSYS 5.7中热分析专用表面效应单元为SURF151(2-D)以及SRUF152(3-D)。有关单元的详细描述请参阅《ANSYS Element Reference》。

5.2表面效应单元在热分析中的应用

利用表面效应单元可更加灵活地定义表面热载荷：

当热流密度和热对流边界条件同时施加于同一表面时，必须将其中一个施加于实体单元表面，另一个施加在表面效应单元。建议将热对流边界施加于表面效应单元。

可将热对流边界条件中的流体温度施加于孤立节点上，将对流系数施加于表面单元，这样，可更灵活地控制对流载荷。

当对流系数随温度变化时，表面效应单元可提供设置计算对流系数的选项。

表面效应单元还可以用于模拟点与面的辐射传热。

5.3表面效应单元的有关热分析设置选项

SURF151是单元可用于多种载荷和表面效应的应用。可以覆盖在任何二维热实体单元的表面(除轴对称谐波单元PLANE75和PLANE78外)。该单元可用于二维热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在。SURF151单元有2到4个节点，如考虑对流传热和辐射的影响需要定义一个外部节点。传热量和热对流量以表面载荷的形式施加在单元上。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。

SURF152是三维热表面效应单元，可用于多种载荷和表面效应的应用。它可以覆盖在任何三维热单元的表面，该单元可用于三维热分析。该单元中多种载荷和表面效应可以同时存在。详细单元说明请参见《ANSYS Theory Reference》。

选定单元：

命令：ET

GUI： Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options 分析设置选项：

中间节点：

Include： keyopt(4)=0

Exclude：keyopt(4)=1

如果实体单元为带中间节点的单元，如Solid90，则设为Include，否则为Exclude。

是否有孤立节点：

Exclude： Keyopt(5)=0

Include：Keyopt(5)=1

如果在表面效应单元上施加热流密度，则为Exclude；如果在表面效应单元上施加热对流，则可为Exclude，也可为Include。如果有孤立节点，则对流系数施加在表面效应单元上，流体温度施加在孤立节点上。如果无孤立节点，则对流系数和流体温度都施加在表面效应单元上。

热流密度或对流边界条件：

忽略热流密度和对流边界条件：Keyopt(8)=0

施加热流密度，忽略对流：Keyopt(8)=1

根据平均温度（壁面与流体）(TS＋TB)/2，计算对流系数：Keyopt(8)=2 根据固体表面温度TS，计算对流系数：Keyopt(8)=3

根据流体温度TB，计算对流系数：Keyopt(8)=4

根据固体表面与流体温差｜TB-TS｜，计算对流系数：Keyopt(8)=5

是否考虑辐射，选择Exclude radiation：

Keyopt(9)=

设置单元行为：

Plane：Keyopt(8)=4

Axisymmetric：Keyopt(8)=4

Plane with thickness：Keyopt(8)=4

图5-1面效应单元的选项设置

5.4表面效应单元的实常数

使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义实常数。面内厚度在表面效应单元的每个角节点默认为1。只有当生热载荷施加于表面效应单元时，厚度才有作用，因为生热基于单元体积。其它实常数，在辐射热分析或结构分析时设置。

5.5表面效应单元的材料属性

使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义材料属性，但有一例外：对流系数随温度变化时，最好单独设定一材料编号，定义材料的对流系数随温度变化的表。在表面单元上施加对流边界时输入负号及材料编号。例如“-3”。其它材料属性在辐射或结构分析时设置。

5.6创建无孤立节点的表面效应单元

划分实体网格

设定表面效应单元的属性

GUI：Main>Menu>Preprocessor>Meshing Attributes>Default Attribs 一般无需设定表面效应单元的材料编号，但为了选择、加载及后处理方便，最好为每组表面单元设置一个唯一的材料编号。

生成表面单元

第一种方法：直接在相应的线或面上生成网格：

GUI：Main>Menu>Preprocessor> Meshing>Mesh Lines/Area

第二种方法：

选择要生成表面效应单元的边（2D）或面（3D）及所属节点；

设定表面效应单元的属性（TYPE，MAT等）；

创建表面效应单元；

GUI：Main>Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Element> Surf Effect 5.7创建带孤立节点的表面效应单元

如果在表面效应单元选项设置时，带孤立节点，Keyopt(5)=1，则：

创建孤立节点

GUI：Main>Menu>Preprocessor>modeling>create>nodes

选择要创建表面效应单元的面或线，以及所属节点；

设定单元属性；

创建表面效应单元：

GUI：Main>Menu>Preprocessor>modeling>create> Element>on free SURF，输入关键点编号，OK

5.8管流单元热分析

在ANSYS中有三个用于管流热分析的单元：

FLUID116热管流单元

SURF1512-D热表面单元

SURF1523-D热表面单元

其中FLUID116单元求解一维带泵送效应的泊努利方程和一维带质量传递的热传递，可与SURF151或SURF152连接模拟对流效应。它的压力、流率、温度、角速度、滑移系数可以表格化参数方式输入。主要的单元属性有流体导热系数、流体密度、流体比热、流体粘度、流体流率等。

而表面效应单元的额外节点在FLUID116单元上，这样用管流单元FLUID116上的节点温度作为对流中的流体温度，将对流系数赋予表面效应单元上，模拟流体与管壁的耦合传热。

LFSUR, Sline, Tline

对组元Sline中包含的线划分表面效应单元，并连接表面效应单元和距离最近的管流单元。这些管流单元已经划分网格，并定义为组元Tline。

AFSUR, Sarea, Tline

对组元Sarea中包含的面划分表面效应单元，并连接表面效应单元和距离最近的管流单元。这些管流单元同样已经划分网格，并定义为组元Tline。

可用如下命令控制显示表面效应单元的额外节点：