第十课+热分析3

1、附加对流附加对流/热流载荷选项热流载荷选项和简单的热和简单的热/流单元流单元7-3对流和热流边界条件可以作为面载荷施加对流和热流边界条件可以作为面载荷施加 : 几何模型几何模型(2-D中的线中的线, 3-D中的面中的面), 忽略模型是否已经划分网格忽略模型是否已经划分网格 ( ANSYS SFL, SFA 命令命令 ) 在单元面上在单元面上 ( ANSYS SFE 命令命令 ) 在节点上在节点上 (ANSYS找到所有面都在节点集合中的单元，然后施加找到所有面都在节点集合中的单元，然后施加对流在单元面上对流在单元面上 。ANSYS SF 命令命令 )在上述实体上只能施加一种热面载荷。也就是说，不

2、能同时施加热在上述实体上只能施加一种热面载荷。也就是说，不能同时施加热流和对流边界条件到单元上。流和对流边界条件到单元上。7-4平面效果单元平面效果单元; SURF151 (2-D), SURF152 (3-D), 可以覆盖在任可以覆盖在任何何2-D 热实体热实体 (除了谐波单元除了谐波单元PLANE75和和PLANE78) 或或 3-D 实体实体单元上。单元上。SURF152SURF1517-5给出了更多的适应性，定义随温度变化换热系数的温度，平面给出了更多的适应性，定义随温度变化换热系数的温度，平面温度，流体温度，平均温度温度微分的绝对值。温度，流体温度，平均温度温度微分的绝对值。允许用户

3、对相同单元面或区域施加多个平面载荷允许用户对相同单元面或区域施加多个平面载荷(如热流和对流如热流和对流)。在介质温度未知的情况下，提供了一个建立对流效果的方便办在介质温度未知的情况下，提供了一个建立对流效果的方便办法。单元有法。单元有附加节点附加节点可以与模型中其它单元相连可以与模型中其它单元相连 (如热如热-流单元流单元FLUID116) 。单元可以用于对平面热生成效果建模因为热生成速率是作为体单元可以用于对平面热生成效果建模因为热生成速率是作为体载荷输入的载荷输入的(需要输入厚度实常数需要输入厚度实常数)。7-6允许计入简单的辐射效果，如辐射到空气中。允许计入简单的辐射效果，如辐射到空气中

4、。在选择的模型区域对平面流量和对流结果进行后处理时很方便。在选择的模型区域对平面流量和对流结果进行后处理时很方便。提供了方便的手段提供了方便的手段(列出响应热流列出响应热流)得到当附加节点温度与介质温度得到当附加节点温度与介质温度相同时的对流净温度损失相同时的对流净温度损失/获得。获得。7-7介质温度可以从附加节点得到介质温度可以从附加节点得到 (使用使用 D 命令命令) 或指定或指定 (SFE 命令命令)。用用SFE命令指定的换热系数可以用命令指定的换热系数可以用USERCAL命令激活命令激活USERCV用户子程序来修改。用户子程序来修改。USERCV可以修改带有或不带附可以修改带有或不带附

5、加节点的平面效果单元上的换热系数。这允许用户在程序中使加节点的平面效果单元上的换热系数。这允许用户在程序中使用特殊的换热系数计算用特殊的换热系数计算 (参考参考 ANSYS Programmers Manual 得到细节得到细节)。其它计算换热系数和介质温度的选项当其它计算换热系数和介质温度的选项当FLUID116单元与第三个单元与第三个节点相连的时候也可以使用。节点相连的时候也可以使用。7-8假设热假设热/流单元流单元(FLUID116)不不与平面效果单元一起使用，下面的步骤是创与平面效果单元一起使用，下面的步骤是创建带有附加节点的平面单元的过程建带有附加节点的平面单元的过程 : 定义平面效

6、果单元类型并带有定义平面效果单元类型并带有 “附加节点附加节点” 选项。选项。 象通常情况下划分象通常情况下划分 2-D或或 3-D实体区域。实体区域。 生成附加节点。生成附加节点。 选择要生成平面效果单元的面上的节点并选择与之相连的实体单元。选择要生成平面效果单元的面上的节点并选择与之相连的实体单元。 将缺省属性将缺省属性 (单元类型，材料特性，实常数序列单元类型，材料特性，实常数序列)设置为要生成的平面设置为要生成的平面效果单元。效果单元。 (生成使用生成使用FLUID116单元的平面效果单元的过程见单元的平面效果单元的过程见7-31)。7-9然后，用户将选择或输入节点号码然后，用户将选择

7、或输入节点号码确认附加节点。确认附加节点。 12Main MenuPreprocessorModelingCreateElements7-10在大多数情况下，平面效果单元使用在大多数情况下，平面效果单元使用带有带有附加节点的附加节点的选项选项。但是，也可以创建但是，也可以创建不带不带附加节点的平面效果单附加节点的平面效果单元元 (如只有热流载荷如只有热流载荷)。使用下列步骤操作使用下列步骤操作: 定义不带定义不带“附加节点附加节点”的平面效果单元。的平面效果单元。 象通常情况下划分象通常情况下划分 2-D或或 3-D实体区域。实体区域。 选择要生成平面效果单元的面上的节点并选择与之选择要生成平

8、面效果单元的面上的节点并选择与之相连的实体单元。相连的实体单元。 将缺省属性将缺省属性 (单元类型，材料特性，实常数序列单元类型，材料特性，实常数序列)设设置为要生成的平面效果单元。置为要生成的平面效果单元。7-1112注注: 不带附加节点的平面效果单元也可以不带附加节点的平面效果单元也可以使用划分线的操作得到使用划分线的操作得到 (LMESH)。 在在使用这种方法时，平面效果单元的坐标使用这种方法时，平面效果单元的坐标系将由线的方向确定而非覆盖的实体单系将由线的方向确定而非覆盖的实体单元坐标系。元坐标系。Main MenuPreprocessorModelingCreateElements7

9、-12 在缺省情况下，如果绘制单在缺省情况下，如果绘制单元图，元图，ANSYS将平面效果将平面效果单元象面一样显示，附加节单元象面一样显示，附加节点以点显示。点以点显示。面面附加节点附加节点7-13单元图的形式可以改变为下图的样子。这样可以清晰地识别附加节点。单元图的形式可以改变为下图的样子。这样可以清晰地识别附加节点。1237-14对流杆单元对流杆单元(LINK34)可以用于多种情况可以用于多种情况 : 在热网格模型中作为对流连接在热网格模型中作为对流连接 在热在热/流单元和流单元和2-D和和3-D热实体单元间作为对流连接热实体单元间作为对流连接 (通常平面通常平面效果单元较容易实现效果单元

10、较容易实现) 在两个或多个部分定义接触热阻时作为一种方法。由于对流单在两个或多个部分定义接触热阻时作为一种方法。由于对流单元不需要长度，节点元不需要长度，节点I 和和 J可以是重合的可以是重合的(不象对流连接单元不象对流连接单元LINK32和和LINK33)。LINK347-15节点节点I和和J之间的热流速率可以定义为之间的热流速率可以定义为:见见ANSYS单元手册单元手册 4-34 。qhA ETTqhAEFTTCC hThA F nCCfIJfPIPJnfPI or PJf*()where:= heat flow rate film coefficient (can be temperat

11、ure-dependent) = convection area = empirical term =*/ temperatures at node I or J in previous substep(, , and are user -defined constants) 7-16两个平面两个平面(不同温度不同温度)在接触时接触处温度会有降低。降低是由两个平面在接触时接触处温度会有降低。降低是由两个平面不完全接触引起的。不完全接触，也叫接触热阻，可以有下面许多不完全接触引起的。不完全接触，也叫接触热阻，可以有下面许多原因造成影响原因造成影响:平面平整度平面平整度平面光洁度平面光洁度氧化氧化

12、气泡气泡接触压力接触压力平面温度平面温度润滑剂的使用润滑剂的使用D DTTx7-17通常当需要接触热阻效果时，要使用对流单元连接接触面。本方法需要通常当需要接触热阻效果时，要使用对流单元连接接触面。本方法需要每个平面上的节点是对齐的每个平面上的节点是对齐的 (通常重合通常重合)。对流单元比传导杆单元好因为。对流单元比传导杆单元好因为用对流杆单元定义的热阻不是单元长度的函数用对流杆单元定义的热阻不是单元长度的函数 (convenient for flush surfaces with coincident nodes)。接触热阻的两种方法在下面叙述。接触热阻的两种方法在下面叙述。Convecti

13、on elementsConvection elements7-18LINK34 对流杆单元可以建立接触热阻。热阻由对流杆单元可以建立接触热阻。热阻由LINK34的实常数来的实常数来控制。热阻定义为控制。热阻定义为: 如果如果E=F=1 (n,CC=0), hf*A 是热传导，因此是热阻的倒数。是热传导，因此是热阻的倒数。q =T/ R = heat flow rate between two pointswhere:T = temperature difference between two points R = thermal resistance between two pointsDD

14、7-19下面的步骤用于在相邻部分生成下面的步骤用于在相邻部分生成LINK34单元的接触热阻单元的接触热阻: 划分各部分使得网格对齐划分各部分使得网格对齐 (接触面上网格重合接触面上网格重合) 激活适当的单元类型，材料特性和实常数激活适当的单元类型，材料特性和实常数 选择接触面上的节点序列选择接触面上的节点序列 使用使用EINTF命令命令自动生成单元自动生成单元 :(Preprocessor Modeling Create Elements Auto-numberedAt Coincident Nodes)接触面上的对流杆单元接触面上的对流杆单元(注注: 平面边缘的单元实参不同平面边缘的单元实参

15、不同)Separation of surfaces exaggerated for clarity7-202-D SURF151 和和3-D SURF152 热平面效果单元可以用热平面效果单元可以用于模拟接触热阻。于模拟接触热阻。当使用平面效果单元时，使用两个具有共同附加节点的当使用平面效果单元时，使用两个具有共同附加节点的平面效果单元平面效果单元如图。附加节点的位置不重要，但它们同如图。附加节点的位置不重要，但它们同属于平面效果单元。定义属于平面效果单元。定义 Hf 数值为数值为LINK34单元的两倍单元的两倍因为有实际的两个接触热阻存在。因为有实际的两个接触热阻存在。这与模拟平面荷小管路的

16、流体间的对流过程类似这与模拟平面荷小管路的流体间的对流过程类似 (在下一在下一部分阐述部分阐述)。不同之处在于附加节点也用于定义热。不同之处在于附加节点也用于定义热-流单元流单元。Separation of surfaces exaggerated for clarity.共享的附加节点共享的附加节点7-21本单元对一维热和流体建模，但它可以用于本单元对一维热和流体建模，但它可以用于2-D 或或 3-D 实体单元。实体单元。缺省情况下，单元每个节点有两个自由度，压力和温度，可以用于缺省情况下，单元每个节点有两个自由度，压力和温度，可以用于稳态和瞬态分析。稳态和瞬态分析。在绝大多数情况下在绝大多

17、数情况下, FLUID116 用于在用于在2-D 和和3-D 模型中模型中包括热质量包括热质量传递和对流效果传递和对流效果 而不使用复杂的计算流体动力学模型而不使用复杂的计算流体动力学模型。FLUID1167-22温度荷流分布为温度荷流分布为1-D (沿沿 I-J 轴轴)。用户可以指定流速用户可以指定流速 (使用使用SFE命令的命令的HFLUX标号标号)，避免非线性流动计算或，避免非线性流动计算或提供流体传导提供流体传导 (或给程序计算流体传导提供足够的数据或给程序计算流体传导提供足够的数据)。程序就可以通过。程序就可以通过流体网格方程计算压力和流分布流体网格方程计算压力和流分布基于基于 Be

18、rnoullis 方程。方程。热效果包括热效果包括: 长度方向的传导长度方向的传导 热质量传递热质量传递 内部热生成内部热生成 (用户指定或计算粘性热流用户指定或计算粘性热流) 通过可选节点通过可选节点 (K,L)对流或使用对流或使用 FLUID116 节点作为平面效果单元的节点作为平面效果单元的附加节点。附加节点。7-23流动效果可以包括管路摩擦损失和损失系数。流动效果可以包括管路摩擦损失和损失系数。 头，泵荷其它惯性效果可以使用标准的头，泵荷其它惯性效果可以使用标准的ANSYS命令命令如如 ACEL, OMEGA, 等计入。等计入。7-24一个单元的平衡方程为一个单元的平衡方程为:NC 0

19、0 0T0NK 00 KTPQwNQHwhere C = specific heat matrix for one channel K = thermal conductivity matrix for one channel Q = internal heat generation vector for one channel K = pressure conductivity matrix for one channel P , T = nodal pressure and temperaturctctpcgttgpLNMMOQPPRS|T|UV|W|LNMMOQPPRS|T|UV|W|R

20、S|T|UV|W|RS|T|UV|W|mrlqlqlqlqlqm rlqm rlqlqe vectors Q = nodal heat flow vector(HEAT on F command) w = nodal fluid flow vector(FLOW on F command) H = gravity and pumping effects vector for one channel N = number of parallel flow channelsclqlqlq7-25使用使用 FLUID116时应考虑下列问题时应考虑下列问题:当包含热质量传递效果时，热传导矩阵是非对称的

21、，因此要需要更当包含热质量传递效果时，热传导矩阵是非对称的，因此要需要更多的求解空间。多的求解空间。在在Bernoullis 方程中方程中,压力降压力降 (Pi - Pj)与流与流 (w) 不是线性关系，因此不是线性关系，因此如果计算流速就需要非线性流求解。流计算可以用给出流速如果计算流速就需要非线性流求解。流计算可以用给出流速 (使用命使用命令令)跳过并使用关键选项为只有温度跳过并使用关键选项为只有温度 DOF 。在瞬态分析中，流速变化是瞬时的。流体压缩效果可以通过理想气在瞬态分析中，流速变化是瞬时的。流体压缩效果可以通过理想气体假设包括进来。体假设包括进来。由于质量传递引起的能量变化在单元

22、的输出节点集中由于质量传递引起的能量变化在单元的输出节点集中 (流体流出节点流体流出节点).7-26KEYOPT(1) 自由度自由度 0, PRES and TEMP 1, TEMP 2, PRESKEYOPT(2) 0, 2 节点无对流效果节点无对流效果 1, 2 节点和对流信息传递到节点和对流信息传递到SURF151/152 单元单元 2, 4 节点和对流面通过实常数提供节点和对流面通过实常数提供7-27KEYOPT(5) 在何时温度有在何时温度有 hf=f(T) 0, 平均流体温度平均流体温度(Ti+Tj)/2 1, 平均墙温度平均墙温度(Tk+Tl)/2 2, 平均单元温度平均单元温度

23、(Ti+Tj+Tk+Tl)/4 3, 温度微分温度微分=平均流体墙平均流体墙 KEYOPT(4) 本选项决定如何定义本选项决定如何定义换热系数换热系数 (见见 7-29)7-28KEYOPTs (6),(7),(8) 控制如何计算流体传导控制如何计算流体传导7-29定义对流面的方法定义对流面的方法: 使用可选节点使用可选节点 (K,L), 用户在节点用户在节点 (K,L)实参指定对流面或由程序实参指定对流面或由程序基于实参计算基于实参计算 - hydraulic diameter 用用SURF151/152单元处理对流将节点单元处理对流将节点 I 或或 J 作为附加节点作为附加节点7-30如果

24、使用带有可选节点如果使用带有可选节点(K,L)的的 FLUID116 ，这些选项可以用来指定这些选项可以用来指定hf: hf 由由 MP命令指定命令指定 hf 由与由与Nusselt (hf*D/Kxx), Reynolds 和和 Prandtl 数有关的方数有关的方程定义程定义 使用使用 TB 命令用表格输入命令用表格输入: hf 为温度和平均速度的函数为温度和平均速度的函数 hf 为温度和为温度和 Reynolds 数的函数数的函数 Nusselt 数为数为 温度和温度和Reynolds 数的函数数的函数 使用用户子程序使用用户子程序 USER116HF (参考参考 ANSYS Progr

25、ammers Manual)7-31如果使用如果使用 FLUID116 为为SURF151/152“附加节点附加节点”, 可以使用下列可以使用下列选项定义选项定义hf: hf 通过通过SFE命令指定给命令指定给SURF151/152 单元单元 hf 由用户子程序由用户子程序 USERCV 激活激活 USERCAL命令给出命令给出 hf 使用用户子程序使用用户子程序 USERSURF116, 注意使用本程序将覆盖所注意使用本程序将覆盖所有由有由SFE或或USERCV定义的数值定义的数值7-32已经有宏用来对使用已经有宏用来对使用FLUID116 结点作为结点作为SURF151 和和 152单元附

26、加结点进行单元附加结点进行自动建模。自动建模。 该宏迅速地以最近的该宏迅速地以最近的FLUID116 结点作为结点作为 “附加结点附加结点”生成平面生成平面效果单元。效果单元。 LFSURF,Sline,Tline 使用平面效果单元划分线组元使用平面效果单元划分线组元 “Sline”并使用已经在线组元并使用已经在线组元“Tline”划分划分好好 FLUID116 的最近结点作为附加结点。的最近结点作为附加结点。 AFSURF,Sarea,Tline 使用平面效果单元划分面组元使用平面效果单元划分面组元“Sarea”并使用已经在线组元并使用已经在线组元“Tline”划划分好分好 FLUID116

27、 的最近结点作为附加结点。的最近结点作为附加结点。宏中的组元名称在使用命令时必须使用单括号宏中的组元名称在使用命令时必须使用单括号。注: 当使用这些宏时，平面效果单元坐标系根据相应线方向或面的法线方向确定，不是象ESURF由覆盖的实体单元法线确定。7-33本宏可以在本宏可以在 GUI中使用，如下中使用，如下:12345在选择框中选择面在选择框中选择面/线。线。7-34在绝大多数热分析中在绝大多数热分析中, 密度单位是不重要的。但是，密度和比热的乘密度单位是不重要的。但是，密度和比热的乘积的单位是重要的。积的单位是重要的。当模型包括当模型包括FLUID116 单元时单元时, 密度和流速的单位是重

28、要的并且要基密度和流速的单位是重要的并且要基于质量。于质量。这些单位的使用保证了与同数据库的结构分析的相容性。这些单位的使用保证了与同数据库的结构分析的相容性。单位序列例子单位序列例子: 传导率传导率: BTU/(hr-ft-F) 密度密度:lbf-hr2/ft4 比热比热: BTU-ft/(lbf-hr2-F) 粘性粘性:lbf-hr/ft2 流速流速: lbf-hr/ft7-35FLUID116 和和SURF151/152 单元经常在建立旋转设备的热单元经常在建立旋转设备的热/流效果模型流效果模型时使用，如汽轮机。在这些模型中可以有特殊的功能时使用，如汽轮机。在这些模型中可以有特殊的功能

29、:使用使用“绝热绝热”墙温度作为介质温度墙温度作为介质温度 (见见 ANSYS Theory Manual 14.152.2) 用户定义流体的角速度用户定义流体的角速度 (FLUID116 实常数实常数) 和转速和转速 (SURF151/152 实常数实常数), 可以使用表格输入可以使用表格输入 (位置位置,时间的函数时间的函数) 滑动因子滑动因子 (FLUID116 实常数实常数), 可以表格输入可以表格输入 恢复因子恢复因子 (SURF151/152 实常数实常数) 旋转轴旋转轴 (SURF151/152 单元单元KEYOPT(3)7-36气体饱和温度为气体饱和温度为 220F在小的铜管热

30、交换器中凝聚。在小的铜管热交换器中凝聚。 铜管直径为铜管直径为5/8” ，壁壁厚为厚为0.083”。 70F水以水以10 ft/sec的速度进入管中。的速度进入管中。ANSYS 输入文件见附录输入文件见附录 B7-37目标目标: 确定单管的第一英寸中水的温升和管外表面的温度分布确定单管的第一英寸中水的温升和管外表面的温度分布假设假设: 轴对称模型和边界条件轴对称模型和边界条件，稳态边界稳态边界给出给出: 铜铜; K=60 BTU/(hr-ft-F) 水水; K=0.347 BTU/(hr-ft-F) C=0.988 BTU/(lbm-F) DENS=1.5E-7 lbf-hr2/ft4Ho=1

31、800 BTU/(hr-ft2-F)Hi = 2500 BTU/(hr-ft2-F)在热质量交换中必须在热质量交换中必须 (不是不是瞬态效果瞬态效果)7-38每步的重要提示每步的重要提示:设置设置GUI过滤为过滤为 Thermal使用参数定义尺寸，网格尺寸，材料特性等使用参数定义尺寸，网格尺寸，材料特性等定义三种单元类型定义三种单元类型- FLUID116, SURF151, PLANE55对对FLUID116单元设置下列关键选项单元设置下列关键选项: keyoption(1)=1, 只有温度只有温度DOF, 用户提供质量流动因此单元是用户提供质量流动因此单元是线性的线性的 keyoption

32、(2)=1, 对流信息传递给相连的对流信息传递给相连的SURF151(Note: an input file that builds the model and applies the boundary conditions is given in Appendix B):7-39对平面效果单元和实体单元设置下列关键选项对平面效果单元和实体单元设置下列关键选项: SURF151 - keyopt(3)=1, 轴对称轴对称 keyopt(4)=1, 无中间结点无中间结点 keyopt(5)=1, 有附加结点有附加结点 FLUID116 keyopt(8)=2, 计算计算 Hf 在在 (Ts+Tb

33、)/2 PLANE55 - keyopt(3)=1, 轴对称轴对称定义参数定义参数 GC=32.2*(3600*2), 转换转换: 所有长度为英寸所有长度为英寸 密度密度=密度密度/GC 比热比热=比热比热*GC7-40用定义数值参数方法将输入速率转换用定义数值参数方法将输入速率转换: 流流=QAV=62.4*(pi*Ri*2)*10*3600 ! In lbm/hr 质量流质量流=流流/GC定义定义FLUID116单元的实常数单元的实常数 : hydraulic diameter (不需要不需要) 流面流面 (用做热传导面用做热传导面) 通道数目通道数目 (一个一个)定义铜和水的材料特性。定

34、义铜和水的材料特性。7-41在管中心之下定义两条线共用一个关键点。这些在管中心之下定义两条线共用一个关键点。这些线使用线使用FLUID116 单元划分。单元划分。第一条线为第一条线为 1第二条线有一个单元第二条线有一个单元 (0.083/12) 。线方向是重要的，因为单元坐标系有线的方向确线方向是重要的，因为单元坐标系有线的方向确定定; 正的质量流沿线方向。正的质量流沿线方向。123Flow Direction注注: 由于热质量传递在由于热质量传递在FLUID116 单元的结点流出单元的结点流出, 输出的线要精确度量管输出的线要精确度量管第一英寸的温度降。第一英寸的温度降。7-42定义管横截面

35、为矩形面定义管横截面为矩形面1 x (0.083/12) 。确定其从。确定其从管中心线偏移管中心线偏移(0.0625/12) 。在使用流体单元的线和使用实体的管面上指定属性在使用流体单元的线和使用实体的管面上指定属性 。设置全局单元大小控制设置全局单元大小控制 (ESIZE)等于管壁厚等于管壁厚 (0.083/12)。用流体单元划分线。用流体单元划分线。用实体单元划分矩形面。用实体单元划分矩形面。Flow Direction7-43生成下列组元生成下列组元:WATERLIN - 用用 FLUID116 单元划分的线单元划分的线TUBELIN - 管内表面的线管内表面的线设置缺省单元类型为设置缺

36、省单元类型为SURF151并使用下面的宏命令生成平面效果单元，以最近的结并使用下面的宏命令生成平面效果单元，以最近的结点为第三个结点点为第三个结点:LFSURF,TUBELIN,WATERLIN在求解器中施加下列边界条件在求解器中施加下列边界条件:流体输入关键点上水温流体输入关键点上水温 (70F)管外表面线上的对流管外表面线上的对流 (Ho 和和Tb)平面单元上的对流平面单元上的对流 (Hi，使用使用 SFE)指定指定FLUID116单元热质量交换，选择并输入单元热质量交换，选择并输入 : SFE,ALL,HFLUX,MASSFLOW7-44绘制整体模型并在每个端点放大绘制整体模型并在每个端

37、点放大, 使用四边形网格，管厚度方向有一个单元使用四边形网格，管厚度方向有一个单元:PLANE55sSURF151sFLUID116s注: 一个单元通常不足以确定厚度方向的温度分布。7-45求解结束后，可以得到下面的结果求解结束后，可以得到下面的结果: 在管的第一英寸水温度从在管的第一英寸水温度从70 升高到升高到77.55F 。 管外表面温度对长度的曲线管外表面温度对长度的曲线 :7-46所有有限元解要检查是否合理。手工检查见下所有有限元解要检查是否合理。手工检查见下：Average Outside Tube Temperature = (.+.) / = .Heat Flow = ( =

38、(-.)( = , / ( )Weight Flow Rate = = . ()() ( .) = /Temperature Rise of Water = /() = / ()( .) = 15245 155792154122220 15412 25 1612 1 180019 403624 10 36000019252581194032581 098872TTR LHBTU hrfrom steam to tubewlbm hrqwCbsoo)()( /) /)( )().This compares well with the ANSYS solution of 7.556辐射热传递辐射热

39、传递8-48辐射特性辐射特性辐射理论辐射理论ANSYS 求解方法求解方法 ANSYS 辐射建模方法辐射建模方法 平面效果单元平面效果单元 连接单元连接单元 辐射矩阵功能辐射矩阵功能使用辐射矩阵的例子使用辐射矩阵的例子 - 热沉的热分析热沉的热分析 隐式求解方法隐式求解方法 非隐式求解方法非隐式求解方法8-49辐射热传递是通过辐射热传递是通过电磁波电磁波传递热能的方法。热辐射的电磁波波长为传递热能的方法。热辐射的电磁波波长为0.1 到到 100 m mm。这包括超微波，所有可以用肉眼看到的波长，和长这包括超微波，所有可以用肉眼看到的波长，和长波。波。不象其他热传递方式需要介质，辐射在不象其他热传

40、递方式需要介质，辐射在真空真空中中(如外层空间如外层空间)效率最高效率最高。对于半透明体对于半透明体(如玻璃如玻璃), 辐射是辐射是三维实体三维实体现象因为辐射从体中发散出。现象因为辐射从体中发散出。对于不透明体，辐射主要是对于不透明体，辐射主要是平面平面现象因为几乎所有内部辐射都被实体现象因为几乎所有内部辐射都被实体吸收了。吸收了。8-50ANSYS 可以模拟可以模拟不透明体不透明体间的辐射，所以我们将讨论范围限制在平面辐射现象间的辐射，所以我们将讨论范围限制在平面辐射现象上。上。两平面间的辐射热传递与它们平面两平面间的辐射热传递与它们平面绝对绝对温度差的四次方成正比温度差的四次方成正比:因

41、此，辐射分析是非线性的，需要迭代求解。因此，辐射分析是非线性的，需要迭代求解。)(44jijiTTQ8-51平面平面辐射辐射热到其他平面并从其他平面热到其他平面并从其他平面吸收吸收热。当我们做辐射分析时，我们考虑的是热。当我们做辐射分析时，我们考虑的是辐射和吸收之间的净效果。辐射和吸收之间的净效果。平面对不同波长都会辐射和吸收，而且随方向而改变。这些特性也随温度变化。平面对不同波长都会辐射和吸收，而且随方向而改变。这些特性也随温度变化。WavelengthDirection DistributionEmissive Power8-52平面可以理想化为散射或反射装置。散射装置会将辐射均匀反射到所

42、有方向，而不管平面可以理想化为散射或反射装置。散射装置会将辐射均匀反射到所有方向，而不管辐射源的方位辐射源的方位:反射平面会将辐射以近乎镜象的方式反射反射平面会将辐射以近乎镜象的方式反射:Diffuse SurfaceSpectral Surfaceq qq q8-53通常情况下，平面可以被理想化为散射或反射面。通常情况下，平面可以被理想化为散射或反射面。没有实际的平面是真正的散射或反射面。比较灰暗的平面接近散射面，高度抛光没有实际的平面是真正的散射或反射面。比较灰暗的平面接近散射面，高度抛光的平面接近反射面。的平面接近反射面。为了简化计算，平面的辐射特性可以在所有的波长和方向平均。只有这些平

43、均特为了简化计算，平面的辐射特性可以在所有的波长和方向平均。只有这些平均特性在后面的讨论中使用。因此，在散射和反射平面之间没有差别。性在后面的讨论中使用。因此，在散射和反射平面之间没有差别。8-54对于承受一定对于承受一定辐射辐射的不透明介质的不透明介质, G , 一部分辐射能会从平面一部分辐射能会从平面反射反射，一部分，一部分会被介质会被介质吸收吸收: G 辐射辐射Gref 反射的能量反射的能量Gabs 吸收的能量吸收的能量平面总吸收率平面总吸收率, a a, 与之吸收偶然辐射的趋势有关。与之吸收偶然辐射的趋势有关。平面总反射率平面总反射率, r r, 与之反射偶然辐射的趋势有关。与之反射偶

44、然辐射的趋势有关。1:requiresenergy ofon conservatira8-55同样，平面总发射率同样，平面总发射率, e e, 是平面在所有方向使用所有波长发射热的能力。这是平面在所有方向使用所有波长发射热的能力。这是一个无量纲数值。是一个无量纲数值。平面在所有方向用所有波长发射的总能量平面在所有方向用所有波长发射的总能量 (热流单位热流单位) 由施蒂芬由施蒂芬-波斯曼定律波斯曼定律确定确定:surface of re temperatuabsoluteconstantBoltzmann -Stefansurface of emissivity calhemispheri to

45、tal,surface of areapower emissive total:4TAEWhereTAqEee注注: 绝对温度用绝对温度用Rankine温度表示温度表示 (R)，它比它比 华氏温度华氏温度F 偏移偏移 460。在。在 SI 单位制中，绝对温度以单位制中，绝对温度以Kelvin (K)温度表示温度表示 , 它比摄氏温度它比摄氏温度C偏移偏移273。偏移温度可以使用偏移温度可以使用TOFFST 命令指定。命令指定。8-56总辐射率总辐射率, J, 是热流单位，表示平面发射和反射的能量总和是热流单位，表示平面发射和反射的能量总和 (如如, 离开平面的离开平面的总能量总能量):由于由于

46、ANSYS不直接计算平面反射率，不直接计算平面反射率， 辐射率和发射率假设为相等辐射率和发射率假设为相等 (E=J)。G Incident radiationGref EnergyreflectedGe EmissivePowerJRadiosity8-57黑体黑体 是理想化的平面，用来与实际平面进行比较。是理想化的平面，用来与实际平面进行比较。这里列出了黑体的特性这里列出了黑体的特性: 黑体吸收所有的偶然辐射黑体吸收所有的偶然辐射 (没有反射没有反射), 不管波长和方向。不管波长和方向。 黑体为纯粹的发射器。对于给定的波长和温度，没有平面比黑体发黑体为纯粹的发射器。对于给定的波长和温度，没有

47、平面比黑体发射更多的能量。射更多的能量。 黑体是纯粹的散射发射器黑体是纯粹的散射发射器; 辐射在所有方向均一致。辐射在所有方向均一致。 因此，对于黑体因此，对于黑体: aB = eB = 1.8-58实际平面叫做实际平面叫做 灰体灰体 因为他们不象黑体。因为他们不象黑体。灰体在温度灰体在温度T的总发射率如下的总发射率如下:因此，对于灰体因此，对于灰体, ( (e 1)e Radiation Matrix选择组成辐射面的所有结点和单元选择组成辐射面的所有结点和单元包括空间结点包括空间结点 (如果定义的话如果定义的话)。8-82步骤步骤 2: 生成辐射矩阵生成辐射矩阵 (续续)1. 定义辐射面的发

48、射率。缺省数值为定义辐射面的发射率。缺省数值为。8-832. 指定施蒂芬指定施蒂芬-波斯曼常数，与热分析中的单位统一波斯曼常数，与热分析中的单位统一 (缺省为缺省为 0.119e-10 BTU/hr-in-R4)。3. 指定分析为指定分析为2D, 3D 轴对称轴对称 或或3D (缺省为缺省为 3D)。4. 指定空间结点用于没有被其他面吸收的辐射能量。指定空间结点用于没有被其他面吸收的辐射能量。8-845. 指定观察过程使用指定观察过程使用HIDDEN 或或NON-HIDDEN 方法方法 (缺省为缺省为HIDDEN)。 HIDDEN 方法用于任何辐射面阻拦在其他平面的观察线上时。方法用于任何辐射

49、面阻拦在其他平面的观察线上时。 NON-HIDDEN 方法用于所有平面都是可以相互观察的情况下。方法用于所有平面都是可以相互观察的情况下。6. 设置设置HIDDEN 方法射线数目。增加射线数目将增加形状因子的计算精度方法射线数目。增加射线数目将增加形状因子的计算精度 (缺省为缺省为20)。8-857. 打开打印键打开打印键 (如果需要的话如果需要的话) 检查形状参数输出。检查形状参数输出。8. 将辐射矩阵写到将辐射矩阵写到filename.sub 中在热分析过程中用做中在热分析过程中用做MATRIX50 超单超单元。元。8-869. 重新选择热模型中其他所有单元和结点。重新选择热模型中其他所有

50、单元和结点。10. 辐射矩阵可以作为超单元用在热分析中了。辐射矩阵可以作为超单元用在热分析中了。8-87步骤步骤 3: 使用辐射矩阵使用辐射矩阵1. 重新进入前处理器。重新进入前处理器。2. 定义新的单元类型定义新的单元类型MATRIX50。改变关键选项改变关键选项K1 为辐射子结构。为辐射子结构。28-88步骤步骤 3: 使用辐射矩阵使用辐射矩阵 (续续)3. 划分网格时选择超单元作为当前单元类型。划分网格时选择超单元作为当前单元类型。 (定义属性定义属性)。4. 定义超单元，指定文件名为写出的辐射矩阵单元。定义超单元，指定文件名为写出的辐射矩阵单元。5. 删除或不选辐射面上的覆盖单元。删除

51、或不选辐射面上的覆盖单元。6. 定义与绝对温度的偏移量。定义与绝对温度的偏移量。7. 进入求解器并在空间结点上定义热边界条件，开始计算。进入求解器并在空间结点上定义热边界条件，开始计算。8-89问题描述问题描述:情况情况1 - 铝合金热沉底座铝合金热沉底座 (1/2 对称模型对称模型) 承受热流载荷。叶片通过与空气承受热流载荷。叶片通过与空气的对流冷却。的对流冷却。情况情况2 - 在情况在情况1上添加辐射效果，使用上添加辐射效果，使用hidden方法生成的辐射矩阵方法生成的辐射矩阵。情况情况3 - 在情况在情况1上添加辐射效果，使用上添加辐射效果，使用non-hidden 方法生成的辐射矩方法

52、生成的辐射矩阵。阵。ANSYS 情况情况2和情况和情况3 的输的输入文件入文件 见附录见附录B8-90 模型尺寸模型尺寸:8-91指南指南:热沉材料为铝合金，热沉材料为铝合金，KXX = 8.5 BTU/hr-in-F。使用使用 BIN 单位进行分析。单位进行分析。所有叶片的对流面其所有叶片的对流面其 h为常数。为常数。使用带有附加结点的使用带有附加结点的SURF151 单元施加对流。单元施加对流。热沉端面是绝热的。热沉端面是绝热的。Note: Not all menus and 步骤步骤s are detailed in the following pages.AdiabaticAdiaba

53、ticHeat Flux on Base Surface8-92热载荷热载荷:热流入底座热流入底座= 17 BTU/hr-in2。热沉顶端空气温度为热沉顶端空气温度为 90 F。叶片面上的换热系数为叶片面上的换热系数为0.01 BTU/hr-in2-F。没有载荷的平面是绝热的。没有载荷的平面是绝热的。附加假设附加假设:这是开放系统，因此没有被叶片平面吸收的辐射将进入空间结点。这是开放系统，因此没有被叶片平面吸收的辐射将进入空间结点。辐射只在叶片平面存在辐射只在叶片平面存在 (非绝热平面非绝热平面)。8-93基本过程基本过程 情况情况 1- 热沉热分析热沉热分析 (无辐射无辐射)。定义数值参数如

54、下定义数值参数如下:base = .150hgt = 1.0ttop = 0.05tbot = .150fspc = .4手工定义手工定义8个关键点和个关键点和3个面。个面。镜象生成需要的模型。镜象生成需要的模型。使用使用quad PLANE55单元划分网格。单元划分网格。使用带有附加结点的使用带有附加结点的SURF151 单元划分叶片外表面。单元划分叶片外表面。施加热流，对流和温度载荷。施加热流，对流和温度载荷。运行初始运算，不带辐射效果。运行初始运算，不带辐射效果。Note: Use of scalar parameters is not required. It is demonstra

55、tedonly as one of many possible methods of generating geometry8-94定义单元类型定义单元类型 PLANE55 和和SURF151, 设置关键选项。设置关键选项。8-95定义材料特性定义材料特性; 只需要只需要KXX。8-96定义参数用于生成关键点。定义参数用于生成关键点。8-97画关键点。画关键点。8个关键点可以用于生成个关键点可以用于生成3个面个面 。8-98用关键点生成的面。用关键点生成的面。8-99第一次镜象形成的图形。第一次镜象形成的图形。8-100多次镜象形成的最终模型。带有颜色和号码的绘制如下。多次镜象形成的最终模型。

56、带有颜色和号码的绘制如下。8-101单元图单元图: PLANE55 quad 单元。单元。注注: 使用全局单元大小使用全局单元大小为为0.045 英寸。英寸。8-102平面效果单元划分的线，要施加对流载荷。平面效果单元划分的线，要施加对流载荷。8-103将线上的结点分离以生将线上的结点分离以生成平面效果单元。成平面效果单元。使用使用*get命令得到模型命令得到模型中最大结点号，指定名中最大结点号，指定名字为字为 “nn” 。生成生成 “附加结点附加结点”; 指指定结点号定结点号 “nn+1”。8-104指定缺省属性为类型指定缺省属性为类型2, SURF151并生成带有附加结点的单元。并生成带有

57、附加结点的单元。8-105绘制带有附加结点的绘制带有附加结点的 SURF151 单元。单元。8-106绘制施加的载荷和边界条件绘制施加的载荷和边界条件: 对流和附加结点上的温度。对流和附加结点上的温度。8-107绘制施加的载荷和边界条件绘制施加的载荷和边界条件: 热流。热流。8-108求解当前步。本求解只包括热流和对流载荷，辐射在后面施加。求解当前步。本求解只包括热流和对流载荷，辐射在后面施加。8-109检查结果。检查结果。 列出响应解。与输入的热比较。列出响应解。与输入的热比较。8-110与输入的热比较与输入的热比较 17 BTU/hr-in2 * 2.2 in2 = 37.4 BTU/hr

58、8-111绘制热沉的温度场分布。绘制热沉的温度场分布。8-112基本过程基本过程 情况情况 2- 包括辐射效果包括辐射效果; 辐射矩阵辐射矩阵-Hidden 方法。方法。进入前处理器。进入前处理器。定义新单元类型定义新单元类型, LINK32。在辐射面上分离结点。在辐射面上分离结点。生成生成 LINK32单元，检查方向。单元，检查方向。定义空间结点。定义空间结点。使用辐射矩阵单元生成辐射矩阵，使用辐射矩阵单元生成辐射矩阵，radheat.sub.重新进入前处理器。重新进入前处理器。定义新单元类型定义新单元类型, MATRIX50。读入矩阵文件读入矩阵文件radheat.sub生成辐射单元。生成

59、辐射单元。在空间结点施加温度。在空间结点施加温度。重新计算。重新计算。注注:不是所有菜单和步骤在后面详细说明。不是所有菜单和步骤在后面详细说明。8-113重新进入前处理器。定义单元类型重新进入前处理器。定义单元类型3, LINK32。划分网格之前，设置属性为划分网格之前，设置属性为TYPE=3。8-114将辐射面上的结将辐射面上的结点分离以生成覆点分离以生成覆盖的盖的LINK32 单元单元。生成生成LINK32 单元单元使用使用 ESURF 命命令。令。生成空间结点，生成空间结点，指定结点号为指定结点号为 “nn+2”。注注: 我们将平面效果单元的附加结点用做空间结点。使用两我们将平面效果单元

60、的附加结点用做空间结点。使用两个结点我们可以分离各效果并更容易的分析对流和辐射的分个结点我们可以分离各效果并更容易的分析对流和辐射的分布。布。8-115检查覆盖网格的方向检查覆盖网格的方向打开单元坐标系绘制检查单打开单元坐标系绘制检查单元法线方向。元法线方向。单元法线方向很重要因为它单元法线方向很重要因为它定义了辐射的方向定义了辐射的方向 (观察方向观察方向)。8-116打开单元坐标系符号绘制打开单元坐标系符号绘制 LINK32 单元。单元。8-117开始辐射矩阵定义。开始辐射矩阵定义。首先首先, 定义发射率定义发射率.8-118定义定义 “其他设置其他设置” 施蒂芬施蒂芬-波斯曼常数波斯曼常