热分析基础

热生成
绝热面 辐射
体热生成率已知的范围。
“绝热面”， 该面不发生热传递。 通过辐射产生热传递的面，输入辐射系数， Stefan-Boltzmann常数，“空间节点”温度作为 可选项输入。
B.求解-节点坐标系
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• 不同于结构分析的位移和力边界条件，热分析的温度和热流边界条 件不依赖于节点坐标系。
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A.前处理-网格处理
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• 材料特性
– 至少需要 Kxx — 稳态分析热传导系数。 – 如果施加内部热生成，则需要比热 (C) 。 – 优先设置为 “thermal” （热分析），在 GUI 方式中只显示热材料特 性。
c specificheat h f film coefficien t
• 密度
• 比热 • 对流换热系数
emissivity St efan - Bolt zmannconst ant
k t hermalconductivi ty Q heat flow (rat e)
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热分析
１．ANSYS热分析基础
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热分析目的
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热分析用于计算一个系统和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。

热传导的三种基本类型
1) 传导: 两个良好接触的物体之间或一个物体内部不同部分之间由于 温度梯度引起的能量交换。
D.稳态热分析
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• 若热能流动不随时间而变化,就称热传递是稳定的。由于热能流动 不随时间变化,系统的温度和热载荷也都不随时间变化,因此稳态热 平衡满足热力学每一定律。相应的有限元平衡方程为:
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2.热分析的基本步骤
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B.求解-温度约束
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温度约束
• 在模型上给定已知温度。
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• 施加温度约束：
– Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Temperature • 选择施加约束的实体类型。 • 在图形窗口拾取相应的实体。 • 然后输入温度值，缺省值为零。 – 或使用 D 系列命令： DK, DL, DA, D.
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对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出:
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q* h f (TS TB ) heat flow rat eper unit area bet ween surface and fluid Where, h f convect ive film coefficien t TS surface t emperat re u TB bulk fluid t emperat re u

i
j
在ANSYS中将辐射按表面现象处理(即体都假设为不透明)。
C.热力学第一定律
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能量守恒要求系统的能量改变与系统边界处传递的热和功数值相等。 能量守恒在一个微小的时间增量下可以表示为方程形式
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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。

对流一般作为面边界条件施加
TB
Ts
B.热传递的三种类型-辐射
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从面 i 到面 j 的辐射热通量由施蒂芬-玻耳兹曼定律得出:
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Q Ai Fij (Ti 4 T j4 ) heat flow rate from surface i to surface j Where,
– 目的是充分模拟结构的热量。 – 对流荷载需要施加到准确模拟的面。 – 热生成荷载需要施加到准确模拟的体。
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A.前处理-网格处理
• 单元类型
• 下表为常用的热单元类型。 • 节点自由度是：TEMP。 常用的热单元类型
2-D Solid Linear Quadratic PLANE55 PLANE77 PLANE35 3-D Solid SOLID70 SOLID90 SOLID87 3-D Shell SHELL57 SHELL131 SHELL132 Line Elements LINK31,32,33,34
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• 实常数
– 主要用于壳和线单元。
B.求解-载荷类型
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• 热荷载可以是：
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温度 热流 热通量 对流
模型中温度已知的范围。 热流率已知的点。 单位面积上热流率已知的表面。 热通过表面对流传给周围流体（或传入） 。 输 入对流换热系数 h， 流体的平均温度 Tb 。
Stefan - Boltzmann constant emissivity
Ai area of surface i Fij form factor from surface i to surface j Ti absolute temperature of surface i T j absolute temperature of surface j
集中载荷 Heat flow 热流率(功率)
国际单位: W (瓦)
B.求解-热通量
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热通量： • 施加热通量：
– Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Heat flux • 选择施加热通量的实体模型， 2-D模
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型一般在线上，3-D 模型在面上。
• 在图形窗口拾取相应实体。 • 然后输入热通量值。 • 或使用 SF 系列命令： SFL, SFA, SFE,
SF。
分布载荷 Heat flux 热通量(热流密度) 国际单位: W /m2
B.求解-对流
对流荷载
B.求解-集中热流
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• 施加热流，需要给出以下信息：
– 节点或关键点号（也可以拾取） – 热流值 (单位必须与采用的单位制一致）
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使用：
– Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Heat Flow – 或用命令 FK 或 F
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B.求解-绝热面
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• 绝热面
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– “完全绝热” 面，该面不发生任何热传递。 – 这是缺省条件，即，没有指定边界条件的任何面自动作为绝热面 处理。 – 对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。
K nn thermal conductivity in direction n T temperature T thermal gradient in direction n n
T
q*
dT dn

负号表示热量沿梯度的反向流动 (例如, 热量从热的部分流向冷的部分).
n
B.热传递的三种类型-对流
2) 对流:在物体和周围流体之间发生的热交换。
3) 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。
A.基本概念-符号及意义
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t t ime T t emperatur e
• 时间 • 温度
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densit y
• 吸收率
• 施蒂芬-玻耳兹曼常数 • 热导率 • 热流率
• 热流密度 q * heat flux internalheat generation q /volume • 内部热生成 E energy • 热(能量)
A.基本概念-国际单位
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• • • • •
•
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施加对流： – Main Menu > Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Convection • 选择施加对流的实体模型，通常 2-D 模型是在线上，3-D 模型是在面上。 • 在图形窗口中拾取所需实体。 • 然后输入对流换热系数和环境温度值。 • 或使用 SF 系列命令： SFL, SFA, SFE, SF。
•
介绍热分析基本步骤
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1) 前处理:建模(?) 2) 求解:施加载荷进行求解 3) 后处理:查看结果
•
目的：
– 重温一般分析过程步骤 – 介绍热荷载和边界条件
A.前处理-几何模型
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几何模型 可以在 ANSYS 中建立或输入。 包含改善模型的细节：
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B.热传递的三种类型-传导
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传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定：
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q * K nn Where,
T heat flow rate per unit area in direction n n
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B.求解-热生成
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热生成
• 施加热生成： – Maine Menu > Solution > Define Loads > Apply > Thermal > Heat Generation • 选择施加热生成的实体模型，通 常对 2-D 模型是在面上，3-D 模 型是在体上。 • 在图形窗口拾取相应的实体。 • 然后输入热生成值。 • 或使用 BF 系列命令： BFL, BFA, BFE, BF。
A.基本概念-英制单位
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• • • • • • • • •
温度 热流率 热传导率 密度 比热 对流换热系数 热通量(热流密度) 温度梯度 内部热生成
• Degrees F (or R) • 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 )
• • • •
温度 热流率 热传导率 密度 比热
对流换热系数 热通量(热流密度) 温度梯度 内部热生成
• Degrees C ( or K ) • Watts
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• Watts/ ( meter.degree C ) • kilogram/ ( meter3 ) • ( Watt.sec ) / ( kilogram .degree C) • Watt/ ( meter2.degree C ) • Watt/ ( meter2 ) • degree C / meter • Watt/ ( meter3 )
wenku.baidu.com D.热传递分析的非线性
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• 当比热矩阵、热传导率矩阵和/或等效节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:
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• 下面几项都可以使得分析包括非线性: – 与温度相关的材料特性 – 与温度相关的对流换热系数 – 使用辐射单元 – 与温度相关的热源（热通量流） – 使用耦合场单元（假设载荷向量耦合）