Ansys热分析教程-第八章

1、第 8 章热辐射分析章节概述辐射特性辐射理论ANSYS 求解方法 ANSYS 辐射建模方法平面效果单元连接单元辐射矩阵功能使用辐射矩阵的例子 加热水槽的热分析隐式求解方法非隐式求解方法 基本特性辐射热传递是通过电磁波传递热能的方法。热辐射的电磁波波长为0.1 到 100 mm。覆盖了部分紫外线波谱，肉眼看见波长和所有红外波长。与其他热传递方式需要介质不一样，辐射在真空中(如外层空间)热传递效率最高。对于半透明体(如玻璃), 辐射是体现象因为辐射热从体中发散出。对于不透明体，辐射主要是平面现象因为几乎所有内部辐射热都被实体内部吸收了。基本特性 (续)ANSYS 可以模拟不透明体间的辐射，所以我们

2、将讨论范围限制在平面辐射现象上。两平面间的辐射热传递与它们平面绝对温度差的四次方成正比:因此，辐射分析是非线性的，需要迭代求解。表面辐射和吸收实际物体的表面辐射热到其他表面，同时从其他表面吸收热。当我们做辐射分析时，我们考虑的是辐射和吸收之间的平衡后的热传递效果。实际物体的表面能够以不同波长（波谱）与适当的方向（方向分布）进行辐射和吸收热，同时这些特性随温度将有所不同。波长方向分布辐射能物体的表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:反射表面则将辐射按镜象的方式进行反射:散射或反射散射表面反射表面qq散射或反射 (续)通常情况下，平面可以被理想化为

3、散射或反射面。没有实际的表面是真正的散射或反射面。比较灰暗的表面接近散射面，高度抛光的平面接近反射面。为了简化计算，认为物体表面的辐射发生在所有的波长和方向上是完全一样的。这就是下面要讨论的情形。因此，在散射和反射表面之间没有差别。 吸收和反射 对于承受一定辐射的不透明介质, G , 一部分辐射能会从平面反射，一部分会被介质吸收: G 辐射Gref 反射的能量Gabs 吸收的能量表面总吸收率, a, 与之吸收偶然辐射的趋势有关。表面总反射率, r, 与之反射偶然辐射的趋势有关。辐射率和辐射能 同样，表面总辐射率, e, 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。平面在所有方

4、向用所有波长发射的总能量 (热流单位) 由施蒂芬-波斯曼定律确定:注: 绝对温度用Rankine温度表示 (R)，它比 华氏温度F 偏移 460。在 SI 单位制中，绝对温度以Kelvin (K)温度表示 , 它比摄氏温度C偏移273。偏移温度可以使用TOFFST 命令指定。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 (如, 离开平面的总能量):由于ANSYS不直接计算平面反射率， 辐射率和发射率假设为相等 (E=J)。G Incident radiationGref EnergyreflectedGe EmissivePowerJRadiosity黑体 是理想化的表面

5、，用来与实际表面进行比较。这里列出了黑体的特性:黑体吸收所有的偶然辐射 (没有反射), 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，没有平面比黑体发射更多的能量。黑体是纯粹的散射发射器; 辐射在所有方向均一致。因此，对于黑体: aB = eB = 1。黑体实际平面叫做 灰体 因为他们不象黑体。灰体在温度T的总发射率如下:因此，对于灰体, (e Radiation Matrix选择组成辐射面的所有结点和单元包括空间结点 (如果定义的话)。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型步骤 2: 生成辐射矩阵 (续)1. 定义辐射面的发射率。缺省数值为。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型辐射

6、建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型2. 指定施蒂芬-波斯曼常数，与热分析中的单位统一 (缺省为 0.119e-10 BTU/hr-in-R4)。3. 指定分析为2D, 3D 轴对称 或3D (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。5. 指定观察过程使用HIDDEN 或NON-HIDDEN 方法 (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。NON-HIDDEN 方法用于所有平面都是可以相互观察的情况下。6. 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 (缺省为20)。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型7

7、. 打开打印键 (如果需要的话) 检查形状参数输出。8. 将辐射矩阵写到filename.sub 中在热分析过程中用做MATRIX50 超单元。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型9. 重新选择热模型中其他所有单元和结点。10. 辐射矩阵可以作为超单元用在热分析中了。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型步骤 3: 使用辐射矩阵1. 重新进入前处理器。2. 定义新的单元类型MATRIX50。改变关键选项K1 为辐射子结构。2辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型步骤 3: 使用辐射矩阵 (续)3. 划分网格时选择超单元作为当前单元类型。 (定义属性)。4. 定义超单元，指定文件名为写出的辐射矩阵单

8、元。5. 删除或不选辐射面上的覆盖单元。6. 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。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型辐射建模辐射分析方法辐射通量法：辐射作为表面效果应用，使用SFx系命令。对于任意表面由系数 生成。可以在封闭或开放系统中使用。总是使用HIDDEN方法。可允许与温度有关的辐射率。过程：定义辐射表面。指定合适的辐射选项。指定合适的开放系统。指定温度偏移量和斯波_兹曼常数。指定形状系数。定义加载项。辐射建模辐射分析方法定义辐射表面SFx命令格式：Main_MenuSolutionApply-Thermal-Radiation点击要定义的辐

9、射表面和单元、节点辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型指定辐射率和封闭号辐射建模辐射分析方法辐射通量法选项RADOPT,FLUXBELX,FLUXTOL,SOLVER,MAXITER,TOLER,OVERRLEX使用辐射通量法时可以使用2种解算器，直接求解器和迭代求解器（默认），这些求解器与ANSYS中的其它同名求解器无关。（如稀疏矩阵求解器、PCG等等）应首选迭代求解器，直接求解器更适合与结算大型题目如果在收敛计算过程中迭代求解器超出了迭代范围，程序将会自动启动直接求解器。在计算过程中如果没有出现发散的显著特征，程序会自动加大松弛因子，加快计算速度（松弛因子默认值为0.1）流量公差(FLUX

10、TOL)影响辐射计算的公差。减小流量公差值将增加计算精度（默认值为0.1），如希望得到更高的精度需要迭代次数将更多辐射建模辐射分析方法辐射求解器选项（续）TOLER值与迭代求解误差有关，其默认值为0.1，适合于大多数问题的求解，减小该值将增加求解精度。OVERRLEX控制迭代求解的松弛因子，对于大型问题可加大该值以减少达到收敛的迭代次数，加速求解计算过程。根据求解问题的大小可将该值从默认的0.1增加到1。辐射建模辐射分析方法封闭体数量设定表面假定的相互“可见”的封闭体数量（通过设定的数字可计算出形状数。）在同一模型上可定义多个封闭体数量辐射建模辐射分析方法注意：“封闭体”仅仅由于鉴定模型的表面

11、，而与开放或封闭的辐射系统无关，在开放辐射系统中的鉴定的封闭体数量同样使用于封闭辐射系统开放系统与封闭系统的对比封闭系统不需要定义空间节点和温度。开放辐射系统需要通过使用空间节点或定义空间温度来确定其形状因子和空间的温度。不使用空间节点来定义空间温度： SPCTEMP,enclosure number，temperature使用空间节点来定义空间温度： SPCNOD,enclosure number，node number辐射建模辐射分析方法形状因子注意事项：VFOPT，控制形状因子的写入（默认写入工作目录下的jobname.vf文档）VFOPT，off（默认），仅根据第一次计算结果计算并写入

12、形状因子，以后的计算还使用这个最初的形状因子。VFOPT，每个载荷步计算新的形状因子，这个选项对于几何模型有变化（NLGEOM,ON）、辐射面和辐射源有变化的情况。HEMIOPT命令（辐射选项）控制形状因子的计算结果，其默认值为10，适用大多数问题。 在表面单元非常粗糙的情况下，将HEMIOPT设在50100可能对计算有利。辐射建模辐射分析方法计算“准静态”辐射问题（QSOPT,ON）这种方法可用于辐射传热占主导地位的热传递，或是没有约束条件（没有文图自由度限制）这是以静态方式运行求解的瞬态问题（ANTYPE,TRANS），不需要指定TIME命令QSOPT,ON:明确密度和特征温度已指定（这个

13、值不需要精确值，但要有代表性）ANTYPE,TRANSQSOPT,ON如果TIME未指定，缺省值为1如未到达稳定状态，“时间”值自动加倍并继续计算辐射建模辐射分析方法QSOPT,ON:时间步长值由AUTOTS控制如果指定时间，求解将执行到此时见为止。如果求解未达到稳定状态，“时间”值自动加倍并继续计算。在多载荷步计算的最后的载荷步中能激活，以达到稳定求解结果。（注意：设KBC为1）OPNCONTROL用来测试结果稳定程度。默认为对比最后3次的计算结果，并且温度的变化量小于等于0.1增加平衡迭代数量可避免在计算过程中的中断。辐射建模辐射分析方法QSOPT,ON:如前所述，在进行准静态分析时需要指

14、定密度和温度值，如只关心结果的静态条件，材料属性值可任意设定提高“发散率”一般可以减少计算时间。这样，调节适当的密度和温度值以增加“发散率”可减少计算时间。注意：在使用任意的材料属性以优化准静态求解时，时间不是现实的真实时值如果使用真实的密度、温度等材料属性，达到稳态的时间就是有效地。辐射建模辐射分析方法辐射例题 使用辐射矩阵单元的加热水槽分析问题描述:工况1 - 铝合金热水槽底座 (1/2 对称模型) 承受热流载荷。叶片通过与空气的对流冷却。工况2 - 在工况1上添加辐射效果，使用hidden方法生成的辐射矩阵。工况3 - 在工况1上添加辐射效果，使用non-hidden 方法生成的辐射矩阵

15、。ANSYS 情况2和情况3 的输入文件 见附录B辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析 模型尺寸:辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析 指南:热沉材料为铝合金，KXX = 8.5 BTU/hr-in-F。使用 BIN 单位进行分析。所有叶片的对流面其 h为常数。使用带有附加结点的SURF151 单元施加对流。热沉端面是绝热的。注意:以下几页并没有详细列出所有的菜单和步骤绝热绝热Heat Flux on Base Surface辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析热载荷:热流入底座= 17 BTU/hr-in2。热沉顶端空气温度为 90 F。叶片面上的换热系数为0.01 BTU/hr-in

16、2-F。没有载荷的平面是绝热的。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。辐射只在叶片平面存在 (非绝热平面)。基本过程 工况 1- 热沉热分析 (无辐射)。定义数值参数如下:base = .150hgt = 1.0ttop = 0.05tbot = .150fspc = .4手工定义8个关键点和3个面。镜象生成需要的模型。使用quad PLANE55单元划分网格。使用带有附加结点的SURF151 单元划分叶片外表面。施加热流，对流和温度载荷。运行初始运算，不带辐射效果。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析定义单元类型 PLANE55 和SURF151, 设置关键选

17、项。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析 定义材料特性; 只需要KXX。定义参数用于生成关键点。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析画关键点。8个关键点可以用于生成3个面 。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析用关键点生成的面。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析第一次镜象形成的图形。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析多次镜象形成的最终模型。带有颜色和号码的绘制如下。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析单元图: PLANE55 quad 单元。注: 使用全局单元大小为0.045 英寸。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析平面效果单元划分的线

18、，要施加对流载荷。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析将线上的结点分离以生成平面效果单元。使用*get命令得到模型中最大结点号，指定名字为 “nn” 。生成 “附加结点”; 指定结点号 “nn+1”。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析指定缺省属性为类型2, SURF151并生成带有附加结点的单元。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析绘制带有附加结点的 SURF151 单元。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析绘制施加的载荷和边界条件: 对流和附加结点上的温度。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析绘制施加的载荷和边界条件: 热通量。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析求解当前步。本

19、求解只包括热流和对流载荷，辐射在后面施加。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析检查结果。列出响应解。与输入的热比较。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析与输入的热比较 17 BTU/hr-in2 * 2.2 in2 = 37.4 BTU/hr辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析绘制热沉的温度场分布。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析基本过程 情况 2- 包括辐射效果; 辐射矩阵-Hidden 方法。进入前处理器。定义新单元类型, LINK32。在辐射面上分离结点。生成 LINK32单元，检查方向。定义空间结点。使用辐射矩阵单元生成辐射矩阵，radheat.sub.重新进入前处理器。定

20、义新单元类型, MATRIX50。读入矩阵文件radheat.sub生成辐射单元。在空间结点施加温度。重新计算。注:不是所有菜单和步骤在后面详细说明。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析重新进入前处理器。定义单元类型3, LINK32。划分网格之前，设置属性 为TYPE=3。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析将辐射面上的结点分离以生成覆盖的LINK32 单元。生成LINK32 单元使用 ESURF 命令。生成空间结点，指定结点号为 “nn+2”。辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析注: 我们将平面效果单元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布。

21、检查覆盖网格的方向打开单元坐标系绘制检查单元法线方向。单元法线方向很重要因为它定义了辐射的方向 (观察方向)。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析打开单元坐标系符号绘制 LINK32 单元。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析开始辐射矩阵定义。首先, 定义发射率.辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析定义 “其他设置”施蒂芬-波斯曼常数; 与分析的单位一致。几何模型类型; 本题为2D。指定空间结点的号码。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析写出辐射矩阵。选择Hidden方法求解本问题。指定 sampling zones数目 (缺省为 20)。指定生成的辐射矩阵文件名。辐射例题使用辐射矩阵

22、单元的加热水槽分析重新进入前处理器。 定义超单元, MATRIX50 并设置关键选项。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析设置单元属性为 TYPE= 4读入超单元矩阵文件生成辐射单元。指定使用的文件名。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析求解前删除或不选 LINK32 单元。进入求解器。设置分析选项。 指定 TOFFST合适数值, 本例为460 。在空间结点上施加温度约束90 F。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析重新进入求解器。 现在包括了辐射效果，分析为非线性的。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析进入后处理器查看结果。注意辐射的贡献和对流的贡献:结点813 (nn+1) SURF151单元的 “附加结点” 有对流载荷。结点814 (nn+2) 空间结点用于辐射求解。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析包含辐射的热沉温度场分布。辐射例题使用辐射矩阵单元的加热水槽分析基本步骤 工况 3- 包括辐射效果 - Non-Hidden 方法。读入数据库 heatsink.db。 (注: 使用HIDDEN方法生成辐射矩阵的相同