第19章 热分析

1、第第19章章 热分析热分析热分析的目的热分析的目的 热分析热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其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、它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度热流密度(热通量热通量)等等热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃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、电子元件等机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等19.1 ANSYS的热分析的热分析u在在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS

2、/ED五种产品中包含热分析功能五种产品中包含热分析功能ANSYS热分析基于热分析基于能量守恒原理的热平衡方程能量守恒原理的热平衡方程，用，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数数ANSYS热分析包括热分析包括热传导热传导、热对流热对流及及热辐射热辐射三种热三种热传递方式。此外，还可以分析传递方式。此外，还可以分析相变相变、有内热源有内热源、接接触热阻触热阻等问题等问题19.2 ANSYS的热分析分类的热分析分类vANSYS的热分析分类的热分析分类 稳态传热稳态传热：系统的温度场不随时间变化：系统的温度场不随时间变化瞬态传热瞬态传热：系统的温

3、度场随时间明显变化：系统的温度场随时间明显变化v与热有关的耦合分析与热有关的耦合分析 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19.3 热分析的符号与单位热分析的符号与单位项目项目国际单位国际单位英制单位英制单位ANSYS代号代号长度长度mft英尺英尺 时间时间ss 质量质量Kglbm 磅质量磅质量 温度温度oF 力力Nlbf 能量能量(热量热量)JBTU英制热单位 功率功率(热流率热流率)WBTU/sec 热流密度热流密度W/m2BTU/sec-ft2 生热速率生热速率W/m3BTU/sec-ft3 导热系数导热系数W/m-BT

4、U/sec-ft-oFKXX对流系数对流系数W/m2-BTU/sec-ft2-oFHF密度密度Kg/m3lbm/ft3DENS比热比热J/Kg-BTU/lbm-oFC焓焓J/m3BTU/ft3ENTH表征物体吸收的热量，为一个体系的内能与体系的体积和外界施加表征物体吸收的热量，为一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和于体系的压强的乘积之和19.4 传热学经典理论回顾传热学经典理论回顾 19.5 热传递的方式热传递的方式1、热传导、热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的物体的不

5、同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：交换。热传导遵循付里叶定律：qn=-k*(dT/dx)，式，式中中qn为热流密度（为热流密度（W/m2），），k为导热系数为导热系数(W/m-)，“-”表示热量流向温度降低的方向。表示热量流向温度降低的方向。2、热对流、热对流热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分为两类：为两类：自然对流自然对流和和强制对流强制对流。热对流用牛顿冷却。热对流用牛顿冷却方程来描述：方程来描述： qn= h*(TS-

6、TB)，式中，式中h为对流换热系数为对流换热系数(或称膜传热系数、给热系数、膜系数等或称膜传热系数、给热系数、膜系数等)，TS为固体为固体表面的温度，表面的温度， TB为周围流体的温度。为周围流体的温度。19.5 热传递的方式热传递的方式(续续)3、热辐射、热辐射热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变热辐射指物体发射电磁能，并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐而热辐射无须任何介质。实

7、质上，在真空中的热辐射效率最高。射效率最高。在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬净热量传递可以用斯蒂芬波尔兹曼方程来计算：波尔兹曼方程来计算：q=A1F12(T14-T24)，式中，式中q为热流率，为热流率， 为辐射率为辐射率（黑度），（黑度）， 为斯蒂芬波尔兹曼常数，约为为斯蒂芬波尔兹曼常数，约为5.6710-8W/m2.K4，A1为辐射面为辐射面1的面积，的面积，F12为由为由辐射面辐射面1到辐射面到辐射面2的形状系数，的形状

8、系数，T1为辐射面为辐射面1的绝对的绝对温度，温度，T2为辐射面为辐射面2的绝对温度。由上式可以看出，的绝对温度。由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。包含热辐射的热分析是高度非线性的。19.6 稳态传热稳态传热 如果系统的净热流率为，即流入系统的热量加上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：系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q流入流入+q生成生成-q流出流出=0，则系统处于，则系统处于热稳态热稳态。在稳态热分析中。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平衡方程为

9、(以矩阵形式表示以矩阵形式表示):KT=Q式中：式中： K为传导矩阵，包含导热系数、对流系数为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；及辐射率和形状系数；T为节点温度向量；为节点温度向量；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；ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成所施加的边界条件，生成K 、 T以及以及Q 。19.7 瞬态传热瞬态传热瞬态传热过程瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。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、热流率、热边界条在这个过程中系统的温度、热流率、热边界

10、条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能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量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为(以矩阵以矩阵形式表示形式表示)：C +KT=Q式中式中:K为传导矩阵，包含导热系数、对流系为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；数及辐射率和形状系数； 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； 为温度对时间的导数为温度对时间的导数; Q为节点热流率向量，包含热生成。为节点热流率向量，包含热生成。 TT19.8 线性与非线性线性与非线性如果有下列情况产生，则为非线性热分析：如果

11、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非线性热分析的热平衡矩阵方程为：非线性热分析的热平衡矩阵方程为： C(T) +K(T)T=Q (T)T19.9 边界条件、初始条件边界条件、初始条件ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度：温度：模型区温度已知模型区温度已知热流率：热流率：热流率已知的点热流率已知的点对流：对流：表面的热传递给周围的流体通过对流。输表

12、面的热传递给周围的流体通过对流。输入对流换热系数入对流换热系数h和环境流体的和环境流体的 平均温度平均温度Tb热辐射：热辐射：通过辐射产生热传递的面通过辐射产生热传递的面. 输入辐射系输入辐射系数，数，Stefan-Boltzmann常数，常数，“空间节点空间节点”的温度的温度作为可选项输入作为可选项输入绝热面：绝热面： “完全绝热完全绝热”面，该面上不发生热传递面，该面上不发生热传递热通量：热通量：单位面积上的热流率已知的面单位面积上的热流率已知的面热生成率：热生成率：体的生热率已知的区域体的生热率已知的区域19.10 热分析误差估计热分析误差估计仅用于评估由于网格密度不够带来的误差；仅用于

13、评估由于网格密度不够带来的误差；仅适用于仅适用于SOLID或或SHELL的热单元的热单元(只有温度只有温度一个自由度一个自由度)；基于单元边界的热流密度的不连续；基于单元边界的热流密度的不连续；仅对一种材料、线性、稳态热分析有效；仅对一种材料、线性、稳态热分析有效；使用自适应网格划分可以对误差进行控制。使用自适应网格划分可以对误差进行控制。19.11 稳态传热分析稳态传热分析稳态传热稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前，进行稳的影响。通常在进行瞬态热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。态热分析用于确定初始温度分布。稳

14、态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数密度等参数19.11.1 热分析的单元热分析的单元热分析涉及到的单元有大约热分析涉及到的单元有大约40种，其中纯粹用于种，其中纯粹用于热分析的有热分析的有14种：种：线性线性：LINK32两维二节点热传导单元两维二节点热传导单元 LINK33三维二节点热传导单元三维二节点热传导单元 LINK34二节点热对流单元二节点热对流单元 LINK31二节点热辐射单元二节点热辐射单元二维实体二维实体：PLANE55四节点四边形单元四节点四边

15、形单元 PLANE77八节点四边形单元八节点四边形单元 PLANE35三节点三角形单元三节点三角形单元 PLANE75四节点轴对称单元四节点轴对称单元 PLANE78八节点轴对称单元八节点轴对称单元19.11.1 热分析的单元热分析的单元(续续)三维实体：三维实体：SOLID87六节点四面体单元六节点四面体单元 SOLID70八节点六面体单元八节点六面体单元 SOLID90二十节点六面体单元二十节点六面体单元壳：壳：SHELL57四节点四节点点：点：MASS71ANSYS热分析可分为三个步骤：热分析可分为三个步骤：前处理前处理：建模：建模求解求解：施加载荷计算：施加载荷计算后处理后处理：查看结

16、果：查看结果19.11.3 建模建模确定确定jobname、title、unit；进入进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元前处理，定义单元类型，设定单元选项；选项；定义单元实常数；定义单元实常数；定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需定义导热系数，它可以是恒定的，也可以随需定义导热系数，它可以是恒定的，也可以随温度变化；温度变化；创建几何模型并划分网格。创建几何模型并划分网格。19.11.3.1 几何尺寸几何尺寸(模型模型)v既可用既可用ANSYS建立模型，也可用其它方法建好模建立模型，也可用其它方法建好模型后导入型后导入v模型建好后，以上两

17、种建模方法的具体过程将不模型建好后，以上两种建模方法的具体过程将不再显示再显示19.11.3.2 划分网格划分网格v首先定义单元属性首先定义单元属性: 单元类型单元类型, 实常数实常数, 材料属性材料属性.单元类型单元类型v下表给出了常用的热单元类型下表给出了常用的热单元类型v每个结点只有一个自由度每个结点只有一个自由度: 温度温度19.11.3.2 划分网格划分网格(续续)材料属性材料属性必须输入导热系数必须输入导热系数, KXX如果施加了内部热生成率，则需指定比热如果施加了内部热生成率，则需指定比热 (C)ANSYS提供的材料库提供的材料库 (/ansys57/matlib)包括几种包括几

18、种常用材料的结构属性常用材料的结构属性 和热属性和热属性, 但是建议用户创但是建议用户创建、使用自己的材料库建、使用自己的材料库把优先设置为把优先设置为 “热分析热分析” ，使材料模型图形用，使材料模型图形用户界面只显示材料的热属性户界面只显示材料的热属性实常数实常数主要应用于壳单元和线单元主要应用于壳单元和线单元19.11.3.2 划分网格划分网格(续续)v划分网格划分网格存储数据文件存储数据文件使用使用 MeshTool 划分网格，使用缺省的智能网格划分网格，使用缺省的智能网格划分级别划分级别6可以生成很好的初始网格可以生成很好的初始网格v至此完成前处理，下面开始求解至此完成前处理，下面开

19、始求解19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算 定义分析类型定义分析类型v如果进行新的热分析：如果进行新的热分析：Command: ANTYPE, STATIC, NEWGUI: Main menuSolution-Analysis Type-New AnalysisSteady-statev如果继续上一次分析，比如增加边界条件等：如果继续上一次分析，比如增加边界条件等：Command: ANTYPE, STATIC, RESTGUI: Main menuSolutionAnalysis Type-Restart19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续) 施加载荷施加载荷可以直接在实体模

20、型或单元模型上施加五种载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件边界条件) ：a、恒定的温度、恒定的温度通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。Command Family:DGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Temperature19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)b、热流率、热流率热流率热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷)，如果输入的值为正，代

21、表热流流入节点，即单元如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则上则ANSYS读取温度值进行计算。读取温度值进行计算。注意注意：如果在实体单元的某一节点上施加热流率，：如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元要密一些，在两种导热系数则此节点周围的单元要密一些，在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时，差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时，尤其要注意。此外，尽可能使用热生成或热流密尤其要注意。此外，尽可能使用热生成或热流密度边界条件，这样结果会更精确些。度边界条件，这样结

22、果会更精确些。Command Family: FGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Flow19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)c、对流、对流对流边界条件作为面载施加于实体的外表面，计算与对流边界条件作为面载施加于实体的外表面，计算与流体的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上，对流体的热交换，它仅可施加于实体和壳模型上，对于线模型，可以通过对流线单元于线模型，可以通过对流线单元LINK34考虑对流。考虑对流。Command Family: SFGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-

23、Convection19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)d、热流密度、热流密度热流密度热流密度也是一种面载。当通过单位面积的热流率已也是一种面载。当通过单位面积的热流率已知或通过知或通过FLOTRAN CFD计算得到时，可以在模型计算得到时，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，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。热流密度也仅适用于实体和壳代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面，但单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。仅读取最后施加的面载进行计算。C

24、ommand Family: FGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Flux19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)e、生热率、生热率生热率生热率作为体载施加于单元上，可以模拟化学反应生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。热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。Command Family: BFGUI：Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Generat19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)定载荷步选项定载荷步选项对于一个

25、热分析，可以确定普通选项、非线性选项以对于一个热分析，可以确定普通选项、非线性选项以及输出控制。及输出控制。a. 普通选项普通选项 时间选项时间选项：虽然对于稳态热分析，时间选项并没有实：虽然对于稳态热分析，时间选项并没有实际的物理意义，但它提供了一个方便的设置载荷步际的物理意义，但它提供了一个方便的设置载荷步和载荷子步的方法。和载荷子步的方法。Command: TIMEGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substps19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续) 每载荷步中子

26、步的数量或时间步大小每载荷步中子步的数量或时间步大小：对于：对于非线性分析，每一载荷步需要多个子步。非线性分析，每一载荷步需要多个子步。Command: NSUBSTGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time and SubstpsCommand: DELTIMGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts- Time/Frequenc Time-Time Step19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续) 递进或阶越选项递进或阶越选项：如果定义阶越：如果定义阶越(stepped)选项，载

27、选项，载荷值在这个载荷步内保持不变；如果为递进荷值在这个载荷步内保持不变；如果为递进(ramped)选项，则载荷值由上一载荷步值到本载荷选项，则载荷值由上一载荷步值到本载荷步值随每一子步线性变化。步值随每一子步线性变化。Command: KBCGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substps19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)b. 非线性选项非线性选项迭代次数迭代次数：本选项设置每一子步允许的最多的迭代：本选项设置每一子步允许的最多的迭代次数。默认值为次数。默认值为2

28、5，对大数热分析问题足够。，对大数热分析问题足够。Command: NEQITGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearEquilibrium Iter19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)自动时间步长自动时间步长: 对于非线性问题，可以自动设定子对于非线性问题，可以自动设定子步间载荷的增长，保证求解的稳定性和准确性。步间载荷的增长，保证求解的稳定性和准确性。Command: AUTOTSGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and

29、 Substps19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续) 收敛误差收敛误差：可根据温度、热流率等检验热分析的：可根据温度、热流率等检验热分析的收敛性。收敛性。Command: CNVTOLGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearConvergence Crit19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)求解结束选项求解结束选项：如果在规定的迭代次数内，达不：如果在规定的迭代次数内，达不到收敛，到收敛，ANSYS可以停止求解或到下一载荷步可以停止求解或到下一载荷步继续求解。继续求解。Command: NCNVGUI: Main Me

30、nuSolution-Load Step Opts-NolinearCriteria to Stop19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)线性搜索线性搜索：设置本选项可使：设置本选项可使ANSYS用用Newton-Raphson方法进行线性搜索。方法进行线性搜索。Command: LNSRCHGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearLine Search19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)预测矫正预测矫正：本选项可激活每一子步第一次迭代对：本选项可激活每一子步第一次迭代对自由度求解的预测矫正。自由度求解的预测矫正。Com

31、mand: PREDGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-NolinearPredictor19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)c. 输出控制输出控制 控制打印输出控制打印输出：本选项可将任何结果数据输出到：本选项可将任何结果数据输出到*.out 文件中。文件中。Command: OUTPRGUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsSolu Printout19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续) 控制结果文件控制结果文件：控制：控制*.rth的内容。的内容。Command: O

32、UTRES GUI: Main MenuSolution-Load Step Opts-Output CtrlsDB/Results File19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)确定分析选项确定分析选项a. Newton-Raphson选项选项(仅对非线性分析有用仅对非线性分析有用)Command: NROPT GUI: Main MenuSolutionAnalysis Options19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)b. 选择求解器选择求解器：可选择如下求解器中一个进行求解：可选择如下求解器中一个进行求解： Frontal solver(默认）默认） Jacobi

33、 Conjugate Gradient(JCG) solver JCG out-of-memory solver Incomplete Cholesky Conjugate Gradient(ICCG) solver Pre-Conditioned Conjugate Gradient Solver(PCG) Iterative(automatic solver selection option)19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)Command: EQSLV GUI: Main MenuSolutionAnalysis Options注意注意：热分析可选用：热分析可选用Itera

34、tive选项进行快速求解，但选项进行快速求解，但如下情况除外：如下情况除外： 热分析包含热分析包含SURF19或或SURF22或超单元；或超单元； 热辐射分析；热辐射分析； 相变分析相变分析 需要需要restart an analysis19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)c. 确定绝对零度确定绝对零度：在进行热辐射分析时，要将目前：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，此值应设定为是摄氏度，此值应设定为273；如果使用的是华；如果使用的是华氏度，则为氏度，则为460。Command: TOFFST

35、GUI: Main MenuSolutionAnalysis Options19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)保存模型保存模型: 点击点击ANSYS工具条工具条SAVE_DB。求解求解Command: SOLVEGUI: Main MenuSolutionCurrent LS19.11.5 后处理后处理uANSYS将热分析的结果写入将热分析的结果写入*.rth文件中，它文件中，它包含如下数据：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

36、反作用热流率其它其它19.11.5 后处理后处理(续续)对于稳态热分析，可以使用对于稳态热分析，可以使用POST1进行后处理，进入进行后处理，进入POST1后，读入载荷步和子步：后，读入载荷步和子步：Command: SET GUI: Main MenuGeneral Postproc-Read Results-By Load Step19.11.5 后处理后处理(续续)可以通过如下三种方式可以通过如下三种方式查看结果：查看结果： 彩色云图显示彩色云图显示Command: PLNSOL, PLESOL, PLETAB等等GUI: M ai n M e nu General Postproc P

37、lot ResultsNodal Solu, Element Solu, Elem Table19.11.5 后处理后处理(续续)v对对3-D 实体模型绘制云图时，选项实体模型绘制云图时，选项isosurfaces (等值等值面面)是非常有用的是非常有用的. 用用 /CTYPE 命令或命令或 Utility Menu PlotCtrls Style Contours Contour Style.19.11.5 后处理后处理(续续) 矢量图显示矢量图显示Command: PLVECTGUI: Main Menu General Postproc Plot ResultsPre-d e f i n

38、 e d o r Userdefined19.11.5 后处理后处理(续续) 列表显示列表显示Command: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL等等GUI: Main Menu General Postproc List ResultsNodal Solu, Element Solu, Reaction Solu19.11.5 后处理后处理(续续)v检查结果是否正确检查结果是否正确v温度是否在预期的范围内温度是否在预期的范围内?在指定温度和热流边界的基础上，估计预期的范在指定温度和热流边界的基础上，估计预期的范围围v网格大小是否满足精度网格大小是否满足精度?和受力分析一样，可以画出

39、非均匀分布的温度梯和受力分析一样，可以画出非均匀分布的温度梯度度 (单元解单元解) 并找出高梯度的单元并找出高梯度的单元. 这些区域可作这些区域可作为重新定义网格时的参考为重新定义网格时的参考若节点温度梯度（平均的）和单元温度梯度（非若节点温度梯度（平均的）和单元温度梯度（非平均的）之间的差别很大，则可能是网格划分太平均的）之间的差别很大，则可能是网格划分太粗糙粗糙19.12 练习练习-稳态传热分析稳态传热分析某一某一潜水艇潜水艇可以简化为一圆筒，它由三层组成，最可以简化为一圆筒，它由三层组成，最外面一层为不锈钢，中间为玻纤隔热层，最里外面一层为不锈钢，中间为玻纤隔热层，最里面为铝层，筒内为空

40、气，筒外为海水，求内外面为铝层，筒内为空气，筒外为海水，求内外壁面温度及温度分布。壁面温度及温度分布。几何参数几何参数：筒外径：筒外径30 feet 总壁厚总壁厚2 inch 不锈钢层壁厚不锈钢层壁厚0.75 inch 玻纤层壁厚玻纤层壁厚1 inch 铝层壁厚铝层壁厚0.25 inch 筒长筒长200 feet导热系数导热系数：不锈钢：不锈钢8.27BTU/hr.ft.oF 玻纤玻纤0.028 BTU/hr.ft.oF 铝铝117.4 BTU/hr.ft.oF19.12.1 边界条件边界条件边界条件边界条件 ： 空气温度空气温度 70oF 海水温度海水温度 44.5oF空气对流系数空气对流系

41、数 2.5 BTU/hr.ft2.oF海水对流系数海水对流系数 80 BTU/hr.ft2.oF沿垂直于圆筒轴线作沿垂直于圆筒轴线作横截面，得到一圆横截面，得到一圆环，取其中环，取其中1度进度进行分析，如图示。行分析，如图示。19.12.2 log文件文件/filename, Steady1/title, Steady-state thermal analysis of submarine /units, BFTRo=15!外径外径(ft)Rss=15-(0.75/12) !不锈钢层内径不锈钢层内径ft)Rins=15-(1.75/12)!玻璃纤维层内径玻璃纤维层内径(ft)Ral=15-(2

42、/12)!铝层内径铝层内径 (ft)Tair=70!潜水艇内空气温度潜水艇内空气温度Tsea=44.5!海水温度海水温度Kss=8.27!不锈钢的导热系数不锈钢的导热系数 (BTU/hr.ft.oF)Kins=0.028 !玻璃纤维的导热系数玻璃纤维的导热系数 (BTU/hr.ft.oF)19.12.2 log文件文件(续续)Kal=117.4!铝的导热系数铝的导热系数(BTU/hr.ft.oF)Hair=2.5!空气的对流系数空气的对流系数(BTU/hr.ft2.oF)Hsea=80!海水的对流系数海水的对流系数(BTU/hr.ft2.oF)/prep7et,1,plane55!定义二维热单

43、元定义二维热单元mp,kxx,1,Kss!设定不锈钢的导热系数设定不锈钢的导热系数mp,kxx,2,Kins!设定玻璃纤维的导热系数设定玻璃纤维的导热系数mp,kxx,3,Kal!设定铝的导热系数设定铝的导热系数pcirc,Ro,Rss,-0.5,0.5!创建几何模型创建几何模型pcirc,Rss,Rins,-0.5,0.5pcirc,Rins,Ral,-0.5,0.5aglue,all19.12.2 log文件文件(续续)numcmp,arealesize,1,16!设定划分网格密度设定划分网格密度lesize,4,4lesize,14,5lesize,16,2eshape,2!设定为映射网

44、格划分设定为映射网格划分mat,1amesh,1mat,2amesh,2mat,3amesh,319.12.2 log文件文件(续续)/SOLUSFL,11,CONV,HAIR,TAIR!施加空气对流边界施加空气对流边界SFL,1,CONV,HSEA,TSEA!施加海水对流边界施加海水对流边界SOLVE /POST1PLNSOL！输出温度彩色云图！输出温度彩色云图finish19.12.3 菜单操作菜单操作菜单操作菜单操作:1.Utility MenuFilechange jobname, 输入输入Steady1；2.Utility MenuFilechange title,输入输入Stead

45、y-state thermal analysis of submarine；3.在命令行输入在命令行输入:/units, BFT；4.Main Menu: Preprocessor；19.12.3 菜单操作菜单操作(续续)5.Main Menu: Preprocessor E l e m e n t Ty p e Add/Edit/Delete ,选择选择PLANE55；6.Main Menu: Preprocessor Material Prop -Constant - Isotropic,默认默认材料编号为材料编号为1,在在KXX框框中输入中输入8.27,选择选择APPLY,输 入 材 料

46、 编 号 为输 入 材 料 编 号 为 2 , 在在KXX框中输入框中输入0.028,选择选择APPLY,输入材料编号为输入材料编号为3,在在KXX框中输入框中输入117.4；19.12.3 菜单操作菜单操作(续续)7.Main Menu: Preprocessor-Modeling-Create-Areas-CircleBy Dimensions 在在RAD1中输入中输入15,在在RAD2中输入中输入15-(.75/12),在在THERA1中输入中输入-0.5,在在THERA2中输入中输入0.5,选择选择APPLY;在在RAD1中输入中输入15-(.75/12),在在RAD2中输入中输入15

47、-(1.75/12),选择选择APPLY;在在RAD1中输入中输入15-(1.75/12),在在RAD2中输入中输入15-2/12,选择选择OK；19.12.3 菜单操作菜单操作(续续)8.Main Menu: Preprocessor-Modeling-Operate-Booleane-GlueArea,选择选择PICK ALL；19.12.3 菜单操作菜单操作(续续)9.Main Menu: Preprocessor-Meshing-Size Contrls-Lines-Picked Lines选择不锈钢层短边选择不锈钢层短边,在在NDIV框中输入框中输入4,选择选择APPLY;19.12

48、.3 菜单操作菜单操作(续续)选择玻璃纤维层的短边选择玻璃纤维层的短边,在在NDIV框中输入框中输入5,选择选择APPLY;选择铝层的短边选择铝层的短边,在在NDIV框中输入框中输入2,选择选择APPLY;选择四个长边选择四个长边,在在NDIV中输入中输入16；19.12.3 菜单操作菜单操作(续续)10.Main Menu: Preprocessor-Attributes-Define Picked Area选择不锈钢层选择不锈钢层,在在MAT框中输入框中输入1,选择选择APPLY;选择玻璃纤维层选择玻璃纤维层,在在MAT框中输入框中输入2,选择选择APPLY;选择铝层选择铝层,在在MAT框

49、中输入框中输入3,选择选择OK；19.12.3 菜单操作菜单操作(续续)11.Main Menu: Preprocessor-Meshing-Mesh-Areas-Mapped3 or 4 sided,选择选择PICK ALL；19.12.3 菜单操作菜单操作(续续)12.Main Menu: Solution-Loads-Apply-Thermal-Convection On lines选择不锈钢外壁选择不锈钢外壁,在在VALI框中输入框中输入80,在在VAL2I框框中输入中输入44.5,选择选择APPLY;19.12.3 菜单操作菜单操作(续续)选择铝层内壁选择铝层内壁,在在VALI框中输

50、入框中输入2.5,在在VAL2I框中框中输入输入70,选择选择OK；19.12.3 菜单操作菜单操作(续续)13.Main Menu: Solution-Solve-Current LS；14.Main Menu: General PostprocPlot Results-Contour Plot-Nodal Solu,选择选择Temperature。19.13ANSYS Verification Manual中关于稳态热分析的实例中关于稳态热分析的实例vVM58Centerline temperature of a heat generating wirevVM92Insulted wall

51、 temperaturevVM93Temperature dependent conductivityvVM94Heat generating platevVM95Heat transfer from a cooling spinevVM96Temperature distribution in a short solid cylindervVM97Temperature distribution along a straight finvVM98Temperature distribution along a tapered finvVM99Temperature distribution

52、in a trapezoidal finvVM100Heat conductivity across a chimney section19.13ANSYS Verification Manual中关于稳态热分析的实例中关于稳态热分析的实例(续续)vVM101Temperature distribution in a short solid cylindervVM102Cylinder with temperature dependent conductivityvVM103Thin plate with a central heat sourcevVM105Heat generation c

53、oil with temperature dependent conductivityvVM108Temperature gradient across a solid cylindervVM118Centerline temperature of a heat generating wirevVM160Solid cylinder with harmonic temperature loadvVM161Heat flow from a insulated pipevVM162Cooling of a circular fin of rectangular profilevVM193Adapt

54、ive analysis of two-dimensional heat transfer with convection19.14 瞬态传热分析瞬态传热分析瞬态热分析瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场用于计算一个系统随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。度场，并将之作为热载荷进行应力分析。其基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态其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载荷是随时间变化的。为了表达随时间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

55、须将载荷变化的载荷，首先必须将载荷时间曲线分为时间曲线分为载荷步载荷步。载荷载荷时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步，如下时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步，如下图所示。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时图所示。对于每一个载荷步，必须定义载荷值及时间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。间值，同时必须选择载荷步为渐变或阶越。 19.14.1 瞬态热分析中的单元、命令及步骤瞬态热分析中的单元、命令及步骤v瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同。瞬态热分析中使用的单元与稳态热分析相同。v要 了 解 每 个 单 元 的 详 细 说 明 ， 请 参 阅要 了 解 每 个 单 元 的 详 细 说 明 ，

56、请 参 阅ANSYS Element Reference Guide。v要 了 解 每 个 命 令 的 详 细 功 能 ， 请 参 阅要 了 解 每 个 命 令 的 详 细 功 能 ， 请 参 阅ANSYS Command Reference Guide。v瞬态热分析的步骤瞬态热分析的步骤建模建模加载求解加载求解后处理后处理19.14.2 建模建模确定确定jobname、title、units, 进入进入PREP7；定义单元类型并设置选项；定义单元类型并设置选项；如果需要，定义单元实常数；如果需要，定义单元实常数；定义材料热性能：一般瞬态热分析要定义导热定义材料热性能：一般瞬态热分析要定义导热

57、系数、密度及比热；系数、密度及比热； 建立几何模型；建立几何模型；对几何模型划分网格。对几何模型划分网格。关于建模及划分网格，请参阅关于建模及划分网格，请参阅ANSYS Modeling and Meshing Guide。19.14.3 加载求加载求解解a、定义分析类型、定义分析类型 如果第一次进行分析，或重新进行分析如果第一次进行分析，或重新进行分析GUI: Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis TransientCommand: ANTYPE,TRANSIENT,NEW19.14.3 加载求解加载求解(续续) 如果接着上次的分析继续进行如果

58、接着上次的分析继续进行(例如增加其它载荷例如增加其它载荷)GUI: Main MenuSolutionAnalysis TypeRestartCommand: ANTYPE,TRANSIENT,REST19.14.3 加载求解加载求解(续续)b、获得瞬态热分析的初始条件、获得瞬态热分析的初始条件定义均匀温度场定义均匀温度场如果已知模型的起始温度是均匀的，可设定所有节如果已知模型的起始温度是均匀的，可设定所有节点初始温度点初始温度Command:TUNIFGUI: Main Menu Solution-Loads-Settings Uniform Temp19.14.3 加载求解加载求解(续续)

59、如果不在对话框中输入数据，则默认为参考温度，参如果不在对话框中输入数据，则默认为参考温度，参考温度的值默认为零，但可通过如下方法设定参考考温度的值默认为零，但可通过如下方法设定参考温度：温度：Command:TREFG U I : M a i n M e n u S o l u t i o n - L o a d s -SettingsReference Temp19.14.3 加载求解加载求解(续续)注意：设定均匀的初始温度，与如下的设定节点的温注意：设定均匀的初始温度，与如下的设定节点的温度度(自由度自由度)不同不同Command:DGUI: Main Menu Solution -Loa

60、ds- Apply -Thermal- Temperature On Nodes19.14.3 加载求解加载求解(续续)初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定初始均匀温度仅对分析的第一个子步有效；而设定节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程，除非通节点温度将保持贯穿整个瞬态分析过程，除非通过下列方法删除此约束：过下列方法删除此约束：Command:DDELEGUI: Main Menu Solution-Loads-Delete-Thermal-Temperature On Nodes19.14.3 加载求解加载求解(续续)设定非均匀的初始温度设定非均匀的初始温度在瞬态热分析中，节点温度可以