第十课+热分析3

热分析第6章附加对流/热流载荷选项和简单的热/流单元7-3对流/热流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(2-D中的线,3-D中的面),忽略模型是否已经划分网格(ANSYSSFL,SFA命令)在单元面上(ANSYSSFE命令)在节点上(ANSYS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。ANSYSSF命令)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。7-4平面效果单元平面效果单元;SURF151(2-D),SURF152(3-D),可以覆盖在任何2-D热实体(除了谐波单元PLANE75和PLANE78)或3-D实体单元上。SURF152SURF1517-5为何使用平面效果单元?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。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)。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。单元有附加节点可以与模型中其它单元相连(如热-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载荷输入的(需要输入厚度实常数)。7-6为何使用平面效果单元?(续)允许计入简单的辐射效果，如辐射到空气中。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(列出响应热流)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/获得。7-7平面效果单元的特殊用途介质温度可以从附加节点得到(使用D命令)或指定(SFE命令)。用SFE命令指定的换热系数可以用USERCAL命令激活USERCV用户子程序来修改。USERCV可以修改带有或不带附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

(参考ANSYSProgrammer’sManual

得到细节)。其它计算换热系数和介质温度的选项当FLUID116单元与第三个节点相连的时候也可以使用。7-8创建带有附加节点的平面单元的步骤假设热/流单元(FLUID116)不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

:

定义平面效果单元类型并带有“附加节点”选项。象通常情况下划分2-D或3-D实体区域。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。将缺省属性(单元类型，材料特性，实常数序列)设置为要生成的平面效果单元。

(生成使用FLUID116单元的平面效果单元的过程见7-31)。7-9创建带有附加节点的平面单元的步骤(续)然后，用户将选择或输入节点号码确认附加节点。

12MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements

7-10创建不带附加节点的平面单元的步骤在大多数情况下，平面效果单元使用带有附加节点的选项。但是，也可以创建不带附加节点的平面效果单元(如只有热流载荷)。使用下列步骤操作:定义不带“附加节点”的平面效果单元。象通常情况下划分2-D或3-D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相连的实体单元。将缺省属性(单元类型，材料特性，实常数序列)设置为要生成的平面效果单元。7-11创建不带附加节点的平面单元的步骤(续)12注: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(LMESH)。在使用这种方法时，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元坐标系。MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements

7-12平面效果单元的图形显示

在缺省情况下，如果绘制单元图，ANSYS将平面效果单元象面一样显示，附加节点以点显示。面附加节点7-13平面效果单元的图形显示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:在热网格模型中作为对流连接在热/流单元和2-D和3-D热实体单元间作为对流连接(通常平面效果单元较容易实现)在两个或多个部分定义接触热阻时作为一种方法。由于对流单元不需要长度，节点I和

J可以是重合的(不象对流连接单元LINK32和LINK33)。LINK347-15对流杆单元(续) 节点I和J之间的热流速率可以定义为:

见ANSYS单元手册4-34。7-16接触热阻两个平面(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:

平面平整度平面光洁度氧化气泡接触压力平面温度润滑剂的使用DTTx7-17接触热阻(续)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(通常重合)。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(convenientforflushsurfaceswithcoincidentnodes)。接触热阻的两种方法在下面叙述。ConvectionelementsConvectionelements7-18使用对流杆单元进行接触热阻建模

LINK34对流杆单元可以建立接触热阻。热阻由LINK34的实常数来控制。热阻定义为:

如果E=F=1(n,CC=0),hf*A是热传导，因此是热阻的倒数。7-19使用对流杆单元进行接触热阻建模(续)下面的步骤用于在相邻部分生成LINK34单元的接触热阻:划分各部分使得网格对齐(接触面上网格重合)激活适当的单元类型，材料特性和实常数选择接触面上的节点序列使用EINTF命令自动生成单元:

(Preprocessor>Modeling>Create>

Elements>Auto-numbered>

AtCoincidentNodes)接触面上的对流杆单元(注:平面边缘的单元实参不同)Separationofsurfacesexaggeratedforclarity7-20使用对流杆单元进行接触热阻建模

2-DSURF151和3-DSURF152热平面效果单元可以用于模拟接触热阻。 当使用平面效果单元时，使用两个具有共同附加节点的平面效果单元如图。附加节点的位置不重要，但它们同属于平面效果单元。定义Hf数值为LINK34单元的两倍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流体间的对流过程类似(在下一部分阐述)。不同之处在于附加节点也用于定义热-流单元。Separationofsurfacesexaggeratedforclarity.共享的附加节点7-211-D热/流单元-FLUID116本单元对一维热和流体建模，但它可以用于2-D或3-D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，可以用于稳态和瞬态分析。在绝大多数情况下,FLUID116用于在2-D和3-D模型中包括热质量传递和对流效果而不使用复杂的计算流体动力学模型。FLUID1167-221-D热/流单元-FLUID116(续)温度荷流分布为1-D(沿I-J轴)。用户可以指定流速(使用SFE命令的HFLUX标号)，避免非线性流动计算或提供流体传导

(或给程序计算流体传导提供足够的数据)。程序就可以通过流体网格方程计算压力和流分布基于Bernoulli’s方程。热效果包括:长度方向的传导热质量传递内部热生成(用户指定或计算粘性热流)通过可选节点(K,L)对流或使用

FLUID116节点作为平面效果单元的附加节点。7-231-D热/流单元-FLUID116(续)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ANSYS命令如ACEL,OMEGA,等计入。7-241-D热/流单元-FLUID116(续)一个单元的平衡方程为:7-251-D热/流单元-FLUID116(续)使用FLUID116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，因此要需要更多的求解空间。在Bernoulli’s方程中,压力降(Pi-Pj)与流

(w)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

(使用命令)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体假设包括进来。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).7-26FLUID116单元选项描述KEYOPT(1)自由度0,PRESandTEMP1,TEMP2,PRES

KEYOPT(2)0,2节点无对流效果1,2节点和对流信息传递到SURF151/152单元2,4节点和对流面通过实常数提供7-27FLUID116单元选项描述(续)KEYOPT(5)在何时温度有hf=f(T)0,平均流体温度(Ti+Tj)/21,平均墙温度(Tk+Tl)/22,平均单元温度(Ti+Tj+Tk+Tl)/43,温度微分=平均流体墙KEYOPT(4)本选项决定如何定义换热系数(见7-29)7-28FLUID116单元选项描述(续)KEYOPTs(6),(7),(8)控制如何计算流体传导7-29对流热传递到/从FLUID116定义对流面的方法:使用可选节点(K,L),用户在节点(K,L)实参指定对流面或由程序基于实参计算

-hydraulicdiameter用SURF151/152单元处理对流将节点

I或J作为附加节点7-30换热系数选项-FLUID116如果使用带有可选节点(K,L)的FLUID116，这些选项可以用来指定hf:hf由MP命令指定hf由与Nusselt(hf*D/Kxx),Reynolds和Prandtl数有关的方程定义使用TB命令用表格输入:hf为温度和平均速度的函数hf为温度和Reynold’s数的函数Nusselt数为温度和Reynold’s数的函数使用用户子程序USER116HF(参考ANSYSProgrammer’sManual)7-31换热系数选项-FLUID116(续)如果使用FLUID116为SURF151/152“附加节点”,可以使用下列选项定义hf:hf通过SFE命令指定给SURF151/152单元hf由用户子程序USERCV激活USERCAL命令给出hf使用用户子程序USERSURF116,注意使用本程序将覆盖所有由SFE或USERCV定义的数值7-32与平面效果单元的接口已经有宏用来对使用FLUID116结点作为SURF151和152单元附加结点进行自动建模。该宏迅速地以最近的FLUID116结点作为“附加结点”生成平面效果单元。LFSURF,Sline,Tline使用平面效果单元划分线组元“Sline”并使用已经在线组元“Tline”划分好FLUID116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“Sarea”并使用已经在线组元“Tline”划分好FLUID116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。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与平面效果单元的接口(续)本宏可以在GUI中使用，如下:12345在选择框中选择面/线。7-34FLUID116单位在绝大多数热分析中,密度单位是不重要的。但是，密度和比热的乘积的单位是重要的。当模型包括FLUID116单元时,密度和流速的单位是重要的并且要基于质量。这些单位的使用保证了与同数据库的结构分析的相容性。单位序列例子:传导率: BTU/(hr-ft-F)密度: lbf-hr2/ft4比热: BTU-ft/(lbf-hr2-F)粘性: lbf-hr/ft2流速: lbf-hr/ft7-35旋转部分的特殊功能FLUID116和SURF151/152单元经常在建立旋转设备的热/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:使用“绝热”墙温度作为介质温度(见ANSYSTheoryManual14.152.2)用户定义流体的角速度(FLUID116实常数)和转速(SURF151/152实常数),可以使用表格输入(位置,时间的函数)滑动因子(FLUID116实常数),可以表格输入恢复因子(SURF151/152实常数)旋转轴(SURF151/152单元KEYOPT(3))7-36有质量传递的热分析例子气体饱和温度为220°F在小的铜管热交换器中凝聚。铜管直径为5/8”，壁厚为0.083”。70°F水以10ft/sec的速度进入管中。ANSYS输入文件见附录B7-37有质量传递的热分析例子（续）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假设: 轴对称模型和边界条件，稳态边界给出:铜; K=60BTU/(hr-ft-F)

水; K=0.347BTU/(hr-ft-F) C=0.988BTU/(lbm-F) DENS=1.5E-7lbf-hr2/ft4 Ho=1800BTU/(hr-ft2-F) Hi=2500BTU/(hr-ft2-F)在热质量交换中必须(不是瞬态效果)7-38有质量传递的热分析例子（续）每步的重要提示:设置GUI过滤为Thermal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-FLUID116,SURF151,PLANE55对FLUID116单元设置下列关键选项:keyoption(1)=1,只有温度DOF,用户提供质量流动因此单元是线性的keyoption(2)=1,对流信息传递给相连的SURF151(Note:aninputfilethatbuildsthemodelandappliestheboundaryconditionsisgiveninAppendixB):7-39有质量传递的热分析例子（续）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 keyopt(4)=1,无中间结点 keyopt(5)=1,有附加结点FLUID116 keyopt(8)=2,计算Hf在(Ts+Tb)/2PLANE55-keyopt(3)=1,轴对称

定义参数GC=32.2*(3600**2),转换:所有长度为英寸密度=密度/GC比热=比热*GC7-40有质量传递的热分析例子（续）用定义数值参数方法将输入速率转换:流=QAV=62.4*(pi*Ri**2)*10*3600!Inlbm/hr质量流=流/GC定义FLUID116单元的实常数:hydraulicdiameter(不需要)流面(用做热传导面)通道数目(一个)定义铜和水的材料特性。7-41有质量传递的热分析例子（续）在管中心之下定义两条线共用一个关键点。这些线使用FLUID116单元划分。第一条线为1’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定;正的质量流沿线方向。123FlowDirection注:由于热质量传递在FLUID116单元的结点流出,输出的线要精确度量管第一英寸的温度降。7-42有质量传递的热分析例子（续）定义管横截面为矩形面1’x(0.083/12)’。确定其从管中心线偏移(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。设置全局单元大小控制(ESIZE)等于管壁厚(0.083/12)’。用流体单元划分线。用实体单元划分矩形面。FlowDirection7-43有质量传递的热分析例子（续）生成下列组元:WATERLIN-用FLUID116单元划分的线TUBELIN-管内表面的线设置缺省单元类型为SURF151并使用下面的宏命令生成平面效果单元，以最近的结点为第三个结点:LFSURF,’TUBELIN’,’WATERLIN’在求解器中施加下列边界条件:流体输入关键点上水温(70°F)管外表面线上的对流(Ho和Tb)平面单元上的对流(Hi，使用SFE)指定FLUID116单元热质量交换，选择并输入:SFE,ALL,,HFLUX,,MASSFLOW7-44有质量传递的热分析例子（续）绘制整体模型并在每个端点放大,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有质量传递的热分析例子（续）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70升高到77.55°F。管外表面温度对长度的曲线:7-46有质量传递的热分析例子（续）所有有限元解要检查是否合理。手工检查见下：第7章辐射热传递8-48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-热沉的热分析隐式求解方法非隐式求解方法8-49

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100mm。这包括超微波，所有可以用肉眼看到的波长，和长波。不象其他热传递方式需要介质，辐射在真空中(如外层空间)效率最高。对于半透明体(如玻璃),辐射是三维实体现象因为辐射从体中发散出。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都被实体吸收了。8-50基本特性(续)ANSYS可以模拟不透明体间的辐射，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。8-51平面辐射和吸收平面辐射热到其他平面并从其他平面吸收热。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。WavelengthDirectionDistributionEmissivePower8-52散射或反射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:反射平面会将辐射以近乎镜象的方式反射:DiffuseSurfaceSpectralSurfaceqq8-53散射或反射(续)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。8-54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

吸收的能量平面总吸收率,a,与之吸收偶然辐射的趋势有关。平面总反射率,r,与之反射偶然辐射的趋势有关。8-55发射率和发射能

同样，平面总发射率,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。8-56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

IncidentradiationGref

Energy

reflectedGe

Emissive

PowerJRadiosity8-57黑体是理想化的平面，用来与实际平面进行比较。这里列出了黑体的特性: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8-58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<1)

总是成立的。灰体8-59ANSYS和辐射ANSYS中关于辐射的重要假设和方法:ANSYS认为辐射是平面现象，因此适合用不透明平面建模。ANSYS不直接计入平面反射率。考虑到效率，假设平面吸收率和发射率相等(a=e)。因此，只有发射率特性需要在ANSYS辐射分析中定义。ANSYS不自动计入发射率的方向特性，也不允许发射率定义随波长变化。发射率可以在某些单元中定义为温度的函数。所有分隔辐射面的介质在计算辐射能量交换时都看作是非参与的(不吸收也不发射能量)。8-60多个平面到此为止我们只讨论了单独的辐射平面。但是，在研究实际问题时，我们通常要考虑多个辐射平面的相互作用。要考虑的平面越多，问题越复杂:8-61形状因子在我们可以计算平面间辐射热能之前，我们需要介绍形状因子的概念(包括视觉因子，形态因子，结构因子)。形状因子由相互辐射的两个平面(i和j)定义。它的定义是由于从一个平面(i)发射的辐射能偶然施加到另一个平面(j)上而得到:8-62形状因子(续)两个平面的形状因子是面积，方向和距离的函数。8-63形状因子(续)对于有n

个平面的系统，形状因子矩阵由n2

个元素组成:从任何平面发射的能量必须守恒:而且相互作用需要:8-64两个平面间的辐射热传递要计算从一个平面(i)到另一个平面(j)的热传递，我们使用相互作用法则和施蒂芬-波斯曼法则得到:方程可以写为如下形式:由于K’是T3的函数,方程不能直接求解，必须使用迭代方法。8-65ANSYS求解方法ANSYS使用一个简单的过程求解多个平面辐射问题，矩阵形式如下:生成多平面问题系统的矩阵需要比前面列出的简单因子近似方法复杂的过程。辐射是高度非线性现象，需要使用牛顿-拉夫森迭代求解。见第4章中关于非线性分析的详细内容。8-66在ANSYS进行辐射建模ANSYS中有三种单元类型用于建立辐射模型:平面效果单元 SURF151/SURF152单元;用于点和面或面和空气间的辐射效果。(注:SURF19和SURF22也可以使用)辐射连接单元LINK31;用于点和点之间的辐射辐射矩阵(超单元)用于通用的辐射问题涉及两个或多个平面。8-67辐射建模

使用平面效果单元建立辐射模型平面效果单元用于建立面和点或面和空气间的辐射模型形状因子必须已知，但通常未知。SURF151用于2D平面，SURF152用于3D平面。8-68辐射建模

使用平面效果单元建立辐射模型平面效果单元2D边界条件,SURF151将SURF151单元覆盖在模型有辐射的面上。远离基础SURF151单元指定附加结点。(注:附加结点需要属于另外辐射面的单元或是单独的，带有施加的温度约束。)材料特性:

实常数: 8-69辐射建模

使用平面效果单元建立辐射模型SURF151单元选项 1.设置辐射的附加结点

包括

(K5)。 2.设置形状因子计算(K9)。8-70辐射建模

使用平面效果单元建立辐射模型平面效果单元3D边界条件,SURF152将SURF152单元覆盖在模型有辐射的面上。远离基础SURF152单元指定附加结点。(注:附加结点需要属于另外辐射面的单元或是单独的，带有施加的温度约束。)材料特性:实常数: 8-71辐射建模

使用平面效果单元建立辐射模型SURF152单元选项 1.包含辐射附加结点(K5)。 2.如果附加结点为点平面时需要计算形状因子。如果形状因子已知，输入实常数(K9)。如果需要,ANSYS在每个积分点上计算形状因子cos(a)。8-72辐射建模

使用连接单元建立辐射模型两个结点间的辐射LINK31单元可以用于简单问题如两点或多点间的辐射。如果形状因子已知，使用LINK31单元8-73辐射建模

使用连接单元建立辐射模型辐射连接单元,LINK31远离结点的位置可选或属于其他单元。材料属性:实常数: 随温度变化的发射率可以在本单元中指定。8-74辐射建模

使用辐射矩阵单元建立辐射模型辐射矩阵单元使用在形状因子未知的情况下。在不同定位的平面上生成形状因子,Fij。用于平面间的相互辐射。可以用于封闭或开放系统。本方法需要非常大的计算工作量，可能需要相对大量的CPU时间和存储空间(特别是使用HIDDEN方法时)。不能使用随温度变化的发射率。8-75辐射建模

使用辐射矩阵单元建立辐射模型

辐射矩阵单元补充辐射能量交换方程:8-76辐射建模

使用辐射矩阵单元建立辐射模型

辐射矩阵单元辐射矩阵单元计算矩阵,[Kts],代表两个或多个平面间的辐射效果。它包括计算多个平面的形状因子:然后矩阵作为超单元(MATRIX50)在热分析中计算温度解。求解过程中，方程线性化(见8-17,18)用线性方程求解器迭代求解:[K’]是{T}的函数而[Kts]不是。因此，辐射矩阵不需要在每次迭代中计算。但是，这说明随温度变化的发射率不能包括在内。8-77辐射建模

使用辐射矩阵单元建立辐射模型

在使用辐射矩阵单元建立辐射模型有三个主要步骤。他们是:1.定义辐射面。2.生成辐射矩阵。3.在热分析中使用辐射矩阵。8-78辐射建模

使用辐射矩阵单元建立辐射模型

步骤1:定义辐射面1.建立在热分析中使用的模型。2.在所有辐射平面上，覆盖网格:LINK32单元在2D辐射面上或,SHELL57单元在3D辐射面上重要提示:

覆盖的LINK32或SHELL57网格要与下面的实体单元在模型和阶次上相适应。

如果辐射面上有不同的发射率，保证在相应的平面上指定不同的材料特性。8-79辐射建模

使用辐射矩阵单元建立辐射模型

重要提示(续):

覆盖单元必须有正确的方向。

对于LINK32单元,单元的Y-轴正方向必须指向观察面(辐射方向)。对于SHELL57单元,单元的Z-轴正方向必须指向观察面(辐射方向)。

单元定位取决于生成的方法。例如，如果线用LINK32划分，方向与线的方向相同。

打开单元坐标系标号选项绘图来查看单元定位是否正确。8-80辐射建模

使用辐射矩阵单元建立辐射模型

步骤1:定义辐射面(续)3. 定义结点(空间结点)吸收所有未被其他平面吸收的辐射能量。空间结点的位置可以选择。空间结点在开放系统中需要。对于封闭系统，不推荐使用空间结点。空间结点可以属于一个单元或是单独的，并带有温度约束。8-81辐射建模

使用辐射矩阵单元建立辐射模型

步骤2:生成辐射矩阵进入辐射矩阵单元:MainMenu>>RadiationMatrix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)。

8-82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。8-83辐射建模

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-10BTU/hr-in²-°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。8-84辐射建模

使用辐射矩阵单元建立辐射模型

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)。

8-85辐射建模

使用辐射矩阵单元建立辐射模型

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。8-86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。8-87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。28-88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。8-89辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析

问题描述:情况1-铝合金热沉底座(1/2对称模型)承受热流载荷。叶片通过与空气的对流冷却。情况2-在情况1上添加辐射效果，使用hidden方法生成的辐射矩阵。情况3-在情况1上添加辐射效果，使用non-hidden方法生成的辐射矩阵。ANSYS情况2和情况3的输入文件见附录B8-90辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析

模型尺寸:8-91辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析

指南:热沉材料为铝合金，KXX=8.5BTU/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。Note:Notallmenusand步骤saredetailedinthefollowingpages.AdiabaticAdiabaticHeatFluxonBaseSurface8-92辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析热载荷:热流入底座=17BTU/hr-in2。热沉顶端空气温度为90°F。叶片面上的换热系数为0.01BTU/hr-in2-°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)。8-93基本过程

情况1-热沉热分析(无辐射)。定义数值参数如下:

base=.150 hgt=1.0 ttop=0.05 tbot=.150 fspc=.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quadPLANE55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。Note:Useofscalarparametersisnotrequired.Itisdemonstratedonlyasoneofmanypossiblemethodsofgeneratinggeometry辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-94定义单元类型PLANE55和SURF151,设置关键选项。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-95辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析

定义材料特性;只需要KXX。8-96定义参数用于生成关键点。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-97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热沉分析8-98用关键点生成的面。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-99第一次镜象形成的图形。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析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。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-101单元图:PLANE55quad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热沉分析8-102平面效果单元划分的线，要施加对流载荷。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-103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热沉分析8-104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热沉分析8-105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热沉分析8-106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热沉分析8-107绘制施加的载荷和边界条件:热流。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析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。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-109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热沉分析8-110与输入的热比较……17BTU/hr-in2*2.2in2=37.4BTU/hr辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-111绘制热沉的温度场分布。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-112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热沉分析8-113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热沉分析8-114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。8-115 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热沉分析8-116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热沉分析8-117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热沉分析8-118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热沉分析8-119写出辐射矩阵。选择Hidden方法求解本问题。指定samplingzones数目(缺省为20)。指定生成的辐射矩阵文件名。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-120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热沉分析8-121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热沉分析8-122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热沉分析8-123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热沉分析8-124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热沉分析8-125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热沉分析8-126基本步骤

情况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网格可以在Non-Hidden方法中使用。)选择组成“bay1”的线和线上的结点。同时选择空间结点。进入辐射矩阵单元并指定发射率，施蒂芬-波斯曼常数，几何形状和空间结点，与Hidden方法中所做的一样。选择NON-HIDDEN方法进行分析。写出辐射矩阵文件bay1。在所有六个bay和叶片顶部平面重复，生成7个辐射矩阵文件。重新求解。注:不是所有菜单和步骤在后面都详细叙述。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-127本图确认了包含在辐射矩阵中的平面，使用NON-HIDDEN方法。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析叶片顶端平面(在图中圈出)要作为单独的辐射矩阵。8-128绘制bay1中选择的图素。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-129选择好bay1的线后,选择相连的结点和单元，包括空间结点。注:这个选择过程在使用NON-HIDDEN方法时必须完成。non-hidden方法可以用于本分析因为每个bay的平面只能相互见到。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-130检查辐射矩阵的设置，指定空间结点号码。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-131指定辐射矩阵文件名和NON-HIDDEN方法..重复这些步骤知道所有7个文件已经生成。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-132定义好新的单元类型,MATRIX50,生成辐射单元，使用7个在前面步骤中生成的文件。重新求解，并比较结果。辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-133热沉中的温度场分布,NON-HIDDEN方法。与HIDDEN求解的结果比较，他们是不同的:辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析8-134响应求解列表，使用NON-HIDDEN求解。与前面HIDDEN方法比较并检查它们没有不同:辐射例题

使用辐射矩阵单元的热沉分析第8章相变分析9-136本章简介相变术语理论材料特性瞬态分析指南例题-飞轮的铸造使用热焓材料特性通用后处理时间历程后处理9-137

相-物质的一种确定原子结构形态，均匀同性。有三种基本的相:

相变-系统能量的变化(增加或减少)可能导致物质的原子结构发生改变。

通常的相变过程称为固结，溶化，汽化或凝固。术语GasLiquidSolid9-138ANSYS应用性ANSYS涉及相变的重要有限元应用有:液体的凝固或固结固体的溶化液-汽

相变问题需要的热传递分析后进行流体分析。许多计算流体动力学软件可以处理液-汽流动和相变。相变分析必须使用瞬态热分析求解。本章主要讲解典型的相变问题：金属的凝固过程。9-139潜在热量当物质相变时，温度保持不变。例如，冰在0°C准备溶解。 热量输入冰中，冰转化为水。冰完全转化为水时，温度还是0°C。当温度不变时，热量到哪里去了?热量在物质粒子状态改变过程中被吸收了。在物质相变种需要的热量称为溶化的潜在热量

。 9-140热焓相变分析必须考虑材料的潜在热量。热焓材料特性(ENTH)用来计入潜在热量。热焓由密度和比热得出，在相变分析中应作为材料特性输入。模型中其它材料应输入密度和比热数值。只要定义材料的比热和密度或热焓；而非全部。热焓数值随温度变化。因此，热分析是非线性的。9-141热焓(续)在相变分析中，热焓数值必须作为材料特性输入。经典(热动力学)热焓数值单位是能量单位，为kJ或BTU。单位热焓单位为能量/质量，为kJ/kg或BTU/lbm。ANSYS热焓材料特性单位为能量/体积，为KJ/m3或orBTU/ft3.如果热量/体积热焓数值在某些材料中不能使用时，它可以用密度、比热和物质潜在热量得出。9-142相变在相变分析中，固体和液体并存的情况下，温度会有很小的变动。物质完全呈现液态的温度(液体温度)为Tl。物质完全呈现固态的温度(固体温度)为Ts.通过这样两个温度，潜在热量效果包括进有限单元生成过程中。9-143潜在热量和比热的关系潜在热量TlTsH“Mushyzone”Ts=固体温度Tl=液体温度注:本图中,Tl-Ts很小。对于纯材料，Tl-Ts

应该为0。相变时热焓变化相对温度变化而言十分迅速。T9-144控制方程不随相变改变此处计入相变系统产生相变时，其控制方程如下:9-145相变分析的求解进行相变分析时，使用:打开时间