ANSYS热分析-表面效应单元

1、ANSYS热分析指南(第五章)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

2、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ANSY

3、S 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：ETGUI： Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options 分析设置选项：中间节点：Include： keyopt(4)=0Exclude：keyopt(4)=1如果实体单元为带中间节点的单元，如Solid90，则设为

4、Include，否则为Exclude。是否有孤立节点：Exclude： Keyopt(5)=0Include：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）(TSTB)/2，计算对流系数：Keyopt(8)=2 根

5、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)=4Axisymmetric：Keyopt(8)=4Plane 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

6、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

7、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 Effect5.7创建带孤立节点的表

8、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，OK5.8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

9、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

10、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：命令：/PSYMB,XNODE,1GUI：Utility Menu>PlotCtrls>Symbols5.9表面效应单元的实例1冷却栅的热分析5.9.1 问题描述分析冷却栅的温度分布及与空气的热传递速率。冷却栅的横截面如下图所示，单位为英寸。材料为铝，导热系数为8.5 BTU/hr.in°F。冷却栅底部流入的热流密度

11、为17BTU/hr.sq.in。空气的温度为90 °F，自然对流。5.9.2 菜单操作过程5.9.2.1设置分析标题1、选择“Utility Menu>File>Change Title”，输入HEATSINK1。2、选择“Utility Menu>File>Change title”，输入Heat convection using SURF151 ignoring radiation。5.9.2.2定义参数变量1、选择“Utility Menu>Parameters>scalar paramaters”，输入： base=.15hgt=1.0tt

12、op=0.05tbot=0.15fspc=0.4dt=301.5-90!假设表面平均温度与空气的温差dt=dt*5/9!转换为摄氏度len=(hgt-base)/39.37hvert1=(1.42*(dt/len)*0.25)*0.1761/144!竖直边对流系数（经验公式） len=base/39.37hvert2=(1.42*(dt/len)*0.25)*0.1761/144len=(fspc-tbot)/39.37hhorz1=(1.32*(dt/len)*0.25)*0.1761/144!水平边对流系数（经验公式） len=ttop/39.37hhorz2=(1.32*(dt/len)

13、*0.25)*0.1761/1445.9.2.3定义热单元及表面效应单元1、选择“Main Menu：>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，定义单元类型1为PLANE55；单元类型2为SURF151。2、点击SURF151，Options，将“Midside nodes”设置为Exclude；“Extra node”设置为Include；“Heat flux and convect loads”设置为Hf at average T。5.9.2.4定义定义材料属性1、选择“Main Menu>Preprocessor>

14、;Material Props>Material Models” 在弹出的材料定义窗口中顺序选择Thermal，Conductivity，Isotropic选项，KXX框中输入8.5。2、任意定义25号材料。5.9.2.5创建几何模型1、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoint>In Active CS”，创建8个关键点。关键点的编号及坐标如下：2、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Area>Arbitrary>ThroughKPs”，输入1，4，5，2，点击A

15、PPLY；输入2，5，6，3，点击APPLY；输入4，7，8，5，点击OK，由关键点组成了3个面。3、选择“Utility Menu>WorkPlane> Local Coordinate system>Create Local CS>At Specified Loc”，输入fspc/2,0,0创建局部坐标。4、选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area，Pick all，on Y-Z plane”，映射面。5、选择“MainMenu>Preprocessor>Numbering Contrls>Mer

16、ge Items”，选择Keypoints。6、选择“MainMenu>Preprocessor>Copy>Area”，点击Pick all，在number of copied中输入5， x offset中输入fspc。7、选择“Utility Menu>WorkPlane> Local Coordinate system>Create Local CS>At Specified Loc”，输入5*fspc,0,0创建局部坐标。8、选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area”，输入28,29,30，on

17、 Y-Z plane映射面。9、选择“MainMenu>Preprocessor>Numbering Contrls>Merge Items”，选择Keypoints。10、选择“Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS>To Global Cartesian”，返回总体直角坐标系。5.9.2.6赋予各边属性1、选择所有的长斜边：选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>Exterior，From Full, Apply”；选择“Utility Menu>Se

18、lect>Entities>Line>By location，Y coordinate”，输入base+0.1，hgt-0.1，选择reselect，Apply；选择“Utility Menu：> Select>Entities>Line> By location，X coordinate”，输入0，选择Unselect；选择“Main Menu>Define>All Lines>”，选择材料为2，单元类型为2；2、选择最右边的线：选择“Utility Menu>Select>Entities>Line> By

19、 location，Xcoordinate”，输入5.5*fspc，From Full；选择“Main Menu>Define>All Lines”，选择材料为3，单元类型为2；3、选择冷却栅根部的线：选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>Exterior， From Full， Apply”；选择“Utility Menu> Select>Entities>Line> By location， Y coordinate”，输入base， Reselect， OK；选择“Main Menu>D

20、efine>All Lines>”，选择材料为4，单元类型为2；4、选择顶部的线：选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By location， Ycoordinate”，输入hgt， From Full，OK；选择“Main Menu>Define>All Lines”，选择材料为5，单元类型为2；5、选择“Utility Menu>Select>Select Everything”，选择所有项目。5.9.2.7划分热单元网格选择“Main Menu>Meshtool”，设定global s

21、ize为ttop*0.9，选择mapped，点击mesh all。5.9.2.8创建孤立节点1、选择“Utility Menu>Parameter>Get Scalar Data>Model Data>For Selected Set”，点击OK，选择Current Node Set，Highest node num，输入NN得到最大节点编号。2、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Node>On Active CS”，输入节点编号为NN+1，X坐标为5.5*fspc/2，Y坐标为hgt+0.2，创建面效应单元的附加

22、节点。5.9.2.9生成表面效应单元1、生成材料编号为2的表面单元：选择材料编号为2的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute>Material”，输入2，From full，Apply。选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。定义单元属性，选择“Main Menu：>Prep

23、rocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为2。生成表面单元，选择“Utility Menu>MainMenu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。2、生成材料编号为3的表面单元：选择材料编号为3的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute>Material”，

24、输入2，From full，Apply。选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为3。生成表面单元，选择“Utility Menu>MainMenu>Preprocessor>C

25、reate>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。3、生成材料编号为4的表面单元：选择材料编号为4的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute>Material”，输入4，From full，Apply。选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；

26、选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为4。生成表面单元，选择“Utility Menu>MainMenu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。4、生成材料编号为5的表面单元：选择材料编号为5的线,选择“Utility Menu

27、>Select>Entities>Line>By attribute>Material”，输入5，From full，Apply。选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料

28、编号为5。生成表面单元，选择“Utility Menu>MainMenu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。5.9.2.10施加热流密度载荷1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>By Location，ycoordinate”，输入0， From Full，点击OK，。2、选择“Main Menu>Solution>Apply>Heat flux&

29、gt;On nodes”，点击pick all，输入17。5.9.2.11在表面单元施加对流载荷1、选择材料编号为2的单元：选择“UtilityMenu>Select>Entities>Element>By Attribute>Material”，输入2， From Full， OK。2、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hvert1。3、选择材料编号为3的单元：选择“UtilityMenu>Select>Entities&g

30、t;Element>By Attribute>Material”，输入3， From Full， OK。4、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hvert2。5、选择材料编号为4的单元：选择“UtilityMenu>Select>Entities>Element>By Attribute>Material”，输入4， From Full， OK。6、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply

31、>Convection>On Elements Uniform”，输入hhorz1。7、选择材料编号为5的单元：选择“UtilityMenu>Select>Entities>Element>By Attribute>Material”，输入5， From Full， OK。8、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hhorz2。9、选择“Utility Menu>Select>Select Everything”。10

32、、定义附加节点的温度（bulk temperature）：选择“Utility Menu>Select>Select Everything”。.9.2.12求解选择“Main Menu>Solution>Current LS”。5.9.2.13列出冷却栅与空气间的热流选择“Main Menu>General Post>List Result>Reaction Solu”。5.9.2.14显示冷却栅的温度分布1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>By Num/Pick，Unselect”，输

33、入NN+1，点取工具条POWRGRPH，选择OFF。2、选择“Main Menu>General Post>Plot Result>NodalResult>Temperature”。5.9.2.15求解冷却栅表面的平均温度，与假设作对比1、选择所有的表面单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attributes>Element Type”，输入2，From Full。2、定义单元表，得到各单元平均温度：选择“Main Menu：>General Post> Element T

34、able>Define Table>Add”，输入tavg，选择By senquence num，nmisc，输入6。3、求和：选择“Main Menu：>General Post>Element Table>sum of each item”。4、附于变量TAVG：选择“Utility Menu>Parameter>Get ScalarData>Result data >Elem Table Sum”，输入变量名TAVG。5、得到单元总数：选择“Utility Menu：>Parameter>Get Scalar Data&g

35、t;Model data>For Selected set>Current Element set>Number of Elems”，输入NE。6、输入tavg=tavg/ne。7、显示冷却栅表面平均温度：输入*Stat， tavg。5.9.3 等效的命令流方法/filename,heatsink1/title,Heatsink convection using SURF151 ignoring radiationbase=.15hgt=1.0ttop=0.05tbot=0.15fspc=0.4dt=301.5-90!假设表面与空气的温差dt=dt*5/9!转换为摄氏度len

36、=(hgt-base)/39.37hvert1=(1.42*(dt/len)*0.25)*0.1761/144 !竖直边的对流系数（根据经验公式）len=base/39.37hvert2=(1.42*(dt/len)*0.25)*0.1761/144len=(fspc-tbot)/39.37hhorz1=(1.32*(dt/len)*0.25)*0.1761/144 !水平边的对流系数（根据经验公式）len=ttop/39.37hhorz2=(1.32*(dt/len)*0.25)*0.1761/144/prep7et,1,plane55mp,kxx,1,8.5mp,kxx,2,8.5mp,k

37、xx,3,8.5mp,kxx,4,8.5mp,kxx,5,8.5et,2,SURF151!定义带孤立节点的表面单元keyopt,2,4,1keyopt,2,5,1keyopt,2,8,2k,1k,2,basek,3,hgtk,4,tbot/2k,5,tbot/2,basek,6,ttop/2,hgtk,7,fspc/2k,8,fspc/2,basea,1,4,5,2a,2,5,6,3a,4,7,8,5/pnum,area,1aplotlocal,11,0,fspc/2!创建局部直角坐标 arsym,x,all!映射所有的面nummrg,kp!重合所有关键点agen,5,1,6,1,fspc!将

38、这6个面拷贝4次 nummrg,kplocal,11,0,5*fspcarsym,x,28,30!完成整个几何模型 nummrg,kpaplot/pnum,area,0csys,0!使用全局直角坐标lsel,s,ext!选择所有外边界线lsel,r,loc,y,base+.1,hgt-.1lsel,u,loc,x,0!选择集中除去底边latt,2,2,2!赋予材料2,实常数2,单元类型2 lsel,s,loc,x,5.5*fspc!选择最右边的线 latt,3,3,2!赋予材料3,实常数2,单元类型2 allsellsel,s,ext!选择所有外边界线lsel,r,loc,y,base!选择冷

39、却栅根部所有的线 latt,4,4,2!赋予材料4,实常数2,单元类型2 lsel,s,loc,y,hgt!选择冷却栅顶部所有的线 latt,5,5,2!赋予材料5,实常数2,单元类型2 lsel,s,mat,2,5!选择材料编号为2到5的线 /pnum,mat,1lplotallseleshape,2!单元形状为四边型esize,ttop*0.9!设定单元大小amesh,all!用PLANE55划分网格*get,nn,node,num,max!得到节点的最大编号nn n,nn+1,5.5*fspc/2,hgt+0.2!创建孤立节点 lsel,s,mat,2!选择材料为2的线nsll,s,1!

40、选择线上的节点type,2!单元单元单元类型为2 mat,2!材料编号为2eSURF,nn+1!生产带孤立节点的表面单元 lsel,s,mat,3nsll,s,1type,2mat,3eSURF,nn+1lsel,s,mat,4nsll,s,1type,2mat,4eSURF,nn+1lsel,s,mat,5nsll,s,1type,2mat,5eSURF,nn+1allseleplot/pnum,mat,0finish/soluantype,static!稳态分析nsel,s,loc,y,0!底边施加热流密度载荷sf,all,hflux,17.0esel,s,mat,2sfe,all,1,c

41、onv,1,hvert1!定义各边的对流系数esel,s,mat,3sfe,all,1,conv,1,hvert2esel,s,mat,4sfe,all,1,conv,1,hhorz1esel,s,mat,5sfe,all,1,conv,1,hhorz2allseld,nn+1,temp,90!定义孤立节点的温度（bulk temperature） /pbc,temp,1/psf,hflux,2eplot/psf,conv,2nplot/pbc,default/psf,defautlsolve!求解finishsave/post1prrsolnsel,u,nn+1!不选择孤立节点/graphi

42、cs,fullplnsol,temp!显示温度分布esel,s,type,2!计算表面平均温度与假设值对比etable,tavg,nmisc,6ssum*get,tavg,ssum,0,item,tavg*get,ne,ELEM,0,COUNtavg=tavg/ne*stat,tavgfinish5.10表面效应单元的实例2圆管热分析5.10.1 问题描述求解圆管中流体及管壁的温度分布。考虑流体与管内壁的对流，管外壁与周围环境对流。已知条件如下：管内水的物理性质及入口条件导热系数0.6W/(m-)密度1000Kg/m3比热4183J/(Kg-)入口温度：20入口流速3m/s管壁物理性质及几何尺寸导热系数100W/(m-)管外径5/16inch壁厚0.083inch长度12inch管外对流条件：环境温度100对流系数10000W/(m2-)管内对流条件：对流系数：15000W/(m2-)5.10.2 命令流方法! ANSYS 5.5 Heat Transfer Seminar Notes! STEADY-STATE ANALYSIS OF SIMPLE HEAT EXCHANGER PI=ACOS(-1)RI=(5/16)-0.083)*0.0254! 管内半径(m)RO=(5/16)*0.0254! 管外半经(m)L=12*0.0254!