文档介绍：第19章热分析
热分析的目的
热分析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、热流密度(热通量)等
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
ANSYS的热分析
在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能
ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度,并导出其它热物理参数
ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外,还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题
ANSYS的热分析分类
ANSYS的热分析分类
稳态传热:系统的温度场不随时间变化
瞬态传热:系统的温度场随时间明显变化
与热有关的耦合分析
热-结构耦合
热-流体耦合
热-电耦合
热-磁耦合
热-电-磁-结构耦合等
热分析的符号与单位
项目
国际单位
英制单位
ANSYS代号
长度
m
ft[英尺]
时间
s
s
质量
Kg
lbm [磅质量]
温度
℃
oF
力
N
lbf
能量(热量)
J
BTU[英制热单位]
功率(热流率)
W
BTU/sec
热流密度
W/m2
BTU/sec-ft2
生热速率
W/m3
BTU/sec-ft3
导热系数
W/m-℃
BTU/sec-ft-oF
KXX
对流系数
W/m2-℃
BTU/sec-ft2-oF
HF
密度
Kg/m3
lbm/ft3
DENS
比热
J/Kg-℃
BTU/lbm-oF
C
焓
J/m3
BTU/ft3
ENTH
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
传热学经典理论回顾
热传递的方式
1、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物体的不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:qn=-k*(dT/dx),式中qn为热流密度(W/m2),k为导热系数(W/m-℃),“-”表示热量流向温度降低的方向。
2、热对流
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。热对流可以分为两类:自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述: qn= h*(TS-TB),式中h为对流换热系数(或称膜传热系数、给热系数、膜系数等),TS为固体表面的温度, TB为周围流体的温度。
热传递的方式(续)
3、热辐射
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,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—波尔兹曼方程来计算:q=εσA1F12(T14-T24),式中q为热流率, ε为辐射率(黑度), σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数,×10-8W/,A1为辐射面1的面积,F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数,T1为辐射面1的绝对温度,T2为辐射面2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。
稳态传热
如果系统的净热流率为0,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:q流入+q生成-q流出=0,则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为(以矩阵形式表示):[K]{T}={Q}
式中: [K]为传导矩阵,包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;{T}为节点温度向量;{Q}为节点热流率向量,包含热生成;
ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件,生成[K] 、{T}以及{Q} 。
瞬态传热
瞬态传热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(以矩阵形式表示):[C]{ }+[K]{T}={Q}
式中:[K]为传导矩阵,包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;
[C]为比热矩阵,考虑系统内能的增加;
{T}为节点温度向量;
{ }为温度对时间的导数;
{Q}为节点热流率向量,包含热生成。
线性与非线性
如果有下列情况产生,则为非线性热分析:
①材料热性能随温度变化,如K(T),C(T)等;
②边界条件随温度变化,如h(T