有限元热场20110106

1、热场的有限元分析热场的有限元分析基本的热现象基本的热现象ANSYS的热分析简介的热分析简介稳态热分析稳态热分析一一瞬态热分析瞬态热分析第一部分第一部分 基本的热现象基本的热现象热分析背景热分析背景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（热通量数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量等。热等。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。器、管路系统、电子元件等。在在ANSYS/Multip

2、hysics 、ANSYS/Mechanical 、 ANSYS/ Thermal 、ANSYS/FLOTRAN 、ANSYS/ED 五种产品五种产品中包含热分析功能中包含热分析功能,其中其中ANSYS/FLOTRAN 不含相变热分析。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。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，还可分析相变、有内热源、接触热阻等问题。式。此外，还可

3、分析相变、有内热源、接触热阻等问题。热传导热传导传导：由于温度梯度引起的内部的能量的交换传导：由于温度梯度引起的内部的能量的交换nTqnn*热流密度热流密度*qnn热导率热导率nT温度梯度温度梯度热对流热对流热对流：固体的表面与其接触的流体之间，由于温差存在而引起的热量交换热对流：固体的表面与其接触的流体之间，由于温差存在而引起的热量交换)(*BsfTThq表面传热系数表面传热系数固体表面的温度固体表面的温度周围流体的温度周围流体的温度fhsTBT热对流可以分为两类：自然对流和强制对流热对流可以分为两类：自然对流和强制对流热辐射热辐射热辐射：指物体发射电磁能，并被其他动作吸收转变为热的热热辐射

4、：指物体发射电磁能，并被其他动作吸收转变为热的热量交换过程，温度越高，热辐射越高，热辐射不需要介质，真量交换过程，温度越高，热辐射越高，热辐射不需要介质，真空中的热辐射效率更高。空中的热辐射效率更高。确定绝对零度：在进行热辐射分析时，要将目前的温度值换算确定绝对零度：在进行热辐射分析时，要将目前的温度值换算为绝对温度。如果使用的温度单位是摄氏度，此值应设定为为绝对温度。如果使用的温度单位是摄氏度，此值应设定为273；如果使用的是华氏度，则为；如果使用的是华氏度，则为460)(4241121TTFAQ热流率热流率(W)吸收率吸收率斯忒藩斯忒藩-伯尔兹曼常数，约伯尔兹曼常数，约5.6710E-8

5、(W/m2.K4)Q几个小问题几个小问题热力学三大定律？热力学三大定律？真空导热吗？真空导热吗？太阳的热量如何传到地球的？太阳的热量如何传到地球的？热水瓶是如何阻止热量丧失的？热水瓶是如何阻止热量丧失的？空调的加热效率和电炉相比空调的加热效率和电炉相比 ，谁高？，谁高？人的散热功率大概是多少？人的散热功率大概是多少？什么是温室效应？具体原因是什么？什么是温室效应？具体原因是什么？第二部分第二部分 ANSYSANSYS的热分析简介的热分析简介状态上分：状态上分：稳态传热：系统的温度场不随时间变化稳态传热：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瞬态传热：系统的温度场随时间明显

6、变化从物性、条件的线性度分从物性、条件的线性度分线性分析：物性和边界条件不随温度变化线性分析：物性和边界条件不随温度变化非线性传热：物性和边界条件随温度变化非线性传热：物性和边界条件随温度变化热分析中可能的耦合关系热分析中可能的耦合关系热结构耦合热结构耦合热流体耦合热流体耦合热电耦合热电耦合 热磁耦合热磁耦合热电磁结构耦合等热电磁结构耦合等热分析中的边界条件热分析中的边界条件绝热边界条件绝热边界条件表面的热量流为常数表面的热量流为常数对流边界条件对流边界条件辐射边界条件辐射边界条件相变或其他引起的恒温边界条件相变或其他引起的恒温边界条件热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中热流率作为节点

7、集中载荷，主要用于线单元模型中(通通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷)，如果输入的，如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则热流率同时施加在一节点上则ANSYS 读取温度值进行计算。读取温度值进行计算。热流密度也是一种面载。当通过单位面积的热流率已知热流密度也是一种面载。当通过单位面积的热流率已知或通过或通过FLOTRAN CFD计算得到时，可以在模型相应的外表计算得到时，可以在模型相应的外表面施加热流密度。如果输入的值为正，代表热流流入单元。面施加热

8、流密度。如果输入的值为正，代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。生热率作为体载施加于单元上，可以模拟化学反应生热生热率作为体载施加于单元上，可以模拟化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。ANSYS 将热分析的结果写入将热分析的结果写入*.rth 文件中，它包含如下数据：文件中，它包含如下数据：基本数据：基本数据： 节点温度节点温度导出数据：导出数据： 节点及单元的热流密度节点及单元的热流密度 节点及单元的热梯度节点及单元的热梯度 单元热流率单元热流率 节点的反作用热流率节点的反作用热流率 其它其它

9、第三部分第三部分 稳态热分析稳态热分析稳态热分析稳态热分析如果系统的净热流率为，即流入系统的热量加上系统自身如果系统的净热流率为，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：产生的热量等于流出系统的热量：q q 流入流入+q +q 生成生成-q -q 流出流出=0=0，则系，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化，统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化，稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示） K K 为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；辐射率

10、和形状系数； T T 为节点温度向量；为节点温度向量； Q Q 为为节点热流率向量，包含热生成。节点热流率向量，包含热生成。稳态热分析举例稳态热分析举例某一潜水艇可以简化为一圆筒，某一潜水艇可以简化为一圆筒，它由三层组成，最外面一层为不锈它由三层组成，最外面一层为不锈钢，中间为玻纤隔热层，最里面为钢，中间为玻纤隔热层，最里面为铝层，筒内为空气，筒外为海水，铝层，筒内为空气，筒外为海水，求内外壁面温度及温度分布求内外壁面温度及温度分布第四部分第四部分 瞬瞬态热分析态热分析瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流

11、率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）：根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）：K为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数，和形状系数， C为比热矩阵为比热矩阵,考虑系统内能的增加，考虑系统内能的增加，T为节点温度向量。为节点温度向量。(和力分析的瞬态、暂态比较？和力分析的瞬态、暂态比较？)瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的

12、载荷是随时间变化的。为了表达随时间变是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷时间曲线分为载荷步。载荷化的载荷，首先必须将载荷时间曲线分为载荷步。载荷时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步。时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步。为何稳态分析中不需要输入比热和密度？而瞬态分析中为何稳态分析中不需要输入比热和密度？而瞬态分析中必须输入这两个量。必须输入这两个量。非线性热分析非线性热分析如果有下列情况产生，则为非线性热分析：如果有下列情况产生，则为非线性热分析：、材料热性能随温度变化，如、材料热性能随温度变化，如K(T),C(T)等；等；、边界条件随温度变化，如、边界条件

13、随温度变化，如h(T)等；等；、含有非线性单元；、含有非线性单元；、考虑辐射传热、考虑辐射传热相变问题相变问题ANSYS 热分析最强大的功能之一就是可以分析相变问题，热分析最强大的功能之一就是可以分析相变问题，例如凝固或熔化等。含有相变问题的热分析是一个非线性的瞬态例如凝固或熔化等。含有相变问题的热分析是一个非线性的瞬态的问题：相变问题需要考虑熔融潜热，即在相变过程吸收或释放的问题：相变问题需要考虑熔融潜热，即在相变过程吸收或释放的热量。的热量。ANSYS 通过定义材料的焓随温度变化来考虑熔融潜热。通过定义材料的焓随温度变化来考虑熔融潜热。焓的单位是焓的单位是J/m3，是密度与比热的乘积对温度的积分。，是密度与比热的乘积对温度的积分。H=U+pV H是焓是焓,U是内能是内能,p是压强是压强,V是体积，物理意是体积，物理意义