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1、No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南第一章 简 介一、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 。二、ANSYS的热分析 在ANSYS/Multiphysics、 ANSYS/Mechanical、 ANSYS/Thermal、 ANSYS/F
2、LOTRAN、 ANSYS/ED 五 种 产 品 中 包 含 热 分 析 功 能 ,其 中 ANSYS/FLOTRAN不 含 相 变 热 分 析 。 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 。三、ANSYS 热分析分类 稳 态 传 热 ： 系 统 的 温 度
3、场 不 随 时 间 变 化 瞬 态 传 热 ： 系 统 的 温 度 场 随 时 间 明 显 变 化四、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No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南第二章 基础知识一、符号与单位项 目 国 际 单 位 英 制 单 位 ANSYS 代 号长 度 m ft时 间 s s质 量 Kg lbm温 度 oF力 N lbf能 量 （ 热 量 ） J BTU功 率 （ 热 流 率 ） W BTU/sec热 流 密 度 W/m2 BTU/sec-ft2生 热 速 率 W/m3 BTU/se
4、c-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二、传热学经典理论回顾热 分 析 遵 循 热 力 学 第 一 定 律 ， 即 能 量 守 恒 定 律 : 对 于 一 个 封 闭 的 系 统 （ 没 有 质 量 的 流 入 或 流 出 PEKUWQ式 中 : Q 热 量 ;W 作 功 ;系 统 内 能 ;系 统 动 能 ；KE系 统 势 能 ；P 对 于 大 多 数 工 程 传 热 问 题
5、 ： ；0PEK 通 常 考 虑 没 有 做 功 ： , 则 ： ；0UQ 对 于 稳 态 热 分 析 ： ， 即 流 入 系 统 的 热 量 等 于 流 出 的 热 量 ； 对 于 瞬 态 热 分 析 ： ， 即 流 入 或 流 出 的 热 传 递 速 率 q 等 于 系 统 内 能 的 变 化 。dtq三、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No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南梯 度 而 引 起 的 内 能 的 交 换 。 热 传 导 遵 循 付
6、里 叶 定 律 ： ， 式 中 为 热 流dxTkqq密 度 （ W/m2） ， 为 导 热 系 数 （ W/m- ） ， “-”表 示 热 量 流 向 温 度 降 低 的 方 向 。k2、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 ：， 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 ）
7、，)(BSThq为 固 体 表 面 的 温 度 ， 为 周 围 流 体 的 温 度 。B3、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
8、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 ：， 式 中 为 热 流 率 ， 为 辐 射 率 （ 黑 度 ） ， 为 斯 蒂 芬 波 尔qAFT1242()q兹 曼 常 数 ， 约 为 5.6710-8W/m2.K4， A1 为 辐 射 面 1 的 面 积 ， 为 由 辐 射 面 1 到 辐F12射 面 2 的 形 状 系 数 ， 为 辐 射 面 1 的 绝 对 温 度 ， 为 辐 射 面 2 的 绝 对 温 度 。 由 上 式T2可 以 看 出 ， 包 含 热 辐 射 的 热 分 析 是 高 度 非 线 性
9、 的 。四、稳态传热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：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）KTQ式 中 ： 为 传 导 矩 阵 ， 包 含 导 热 系 数 、 对 流 系 数 及 辐 射 率 和 形 状 系 数 ；K为 节 点 温 度 向 量 ；T为 节 点 热 流 率 向 量 ， 包 含 热 生 成 ；QANSYS 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以 及
10、 。五、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）： CTKQ&式 中 : 为 传 导 矩 阵 ， 包 含 导 热 系 数 、 对 流 系 数 及 辐 射 率 和 形 状 系 数 ；K为 比 热 矩 阵 ,考 虑 系 统 内 能 的 增 加 ;CNo Boundaries ANSYS热 分 析 指 南为 节 点 温 度 向 量 ；T为 温 度 对 时 间 的 导 数 ;&为 节 点 热 流 率 向 量 ， 包 含 热 生 成 。Q六、线性与非线性如 果 有
11、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 K(T),C(T)等 ； 、 边 界 条 件 随 温 度 变 化 ， 如 h(T)等 ； 、 含 有 非 线 性 单 元 ；4、 考 虑 辐 射 传 热非 线 性 热 分 析 的 热 平 衡 矩 阵 方 程 为 ：CTKTQ&七、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 ： 温 度 、 热 流 率 、 热 流 密 度 、对 流 、 辐 射 、 绝 热 、 生 热 。八、热分析误差估计 仅 用 于 评 估 由 于 网 格
12、密 度 不 够 带 来 的 误 差 ； 仅 适 用 于 SOLID 或 SHELL 的 热 单 元 （ 只 有 温 度 一 个 自 由 度 ） ； 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 ； 使 用 自 适 应 网 格 划 分 可 以 对 误 差 进 行 控 制 。No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南第三章稳态传热分析一、稳态传热的定义稳 态 传 热 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
13、行 稳 态 热 分 析 用 于 确 定 初 始 温 度 分 布 。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 密 度 等 参 数二、热分析的单元热 分 析 涉 及 到 的 单 元 有 大 约 40 种 ， 其 中 纯 粹 用 于 热 分 析 的 有 14 种 ：线 性 ： LINK32 两 维 二 节 点 热 传 导 单 元LINK33 三 维 二 节 点 热 传 导 单 元LINK34 二 节 点 热 对 流 单 元LINK31 二 节 点 热 辐 射 单 元二 维 实 体 ：
14、PLANE55 四 节 点 四 边 形 单 元PLANE77 八 节 点 四 边 形 单 元PLANE35 三 节 点 三 角 形 单 元PLANE75 四 节 点 轴 对 称 单 元PLANE78 八 节 点 轴 对 称 单 元三 维 实 体 SOLID87 六 节 点 四 面 体 单 元SOLID70 八 节 点 六 面 体 单 元SOLID90 二 十 节 点 六 面 体 单 元壳 SHELL57 四 节 点点 MASS71有 关 单 元 的 详 细 解 释 ， 请 参 阅 ANSYS Element Reference Guide三、ANSYS稳态热分析的基本过程ANSYS 热 分 析
15、 可 分 为 三 个 步 骤 ： 前 处 理 ： 建 模 求 解 ： 施 加 载 荷 计 算 后 处 理 ： 查 看 结 果1、建模 、 确 定 jobname、 title、 unit； 、 进 入 PREP7 前 处 理 ， 定 义 单 元 类 型 ， 设 定 单 元 选 项 ； 、 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 需 定 义 导 热 系 数 ， 它 可 以 是 恒 定 的 ，也 可 以 随 温 度 变 化 ； 、 创 建 几 何 模 型 并 划 分 网 格 ， 请 参 阅 ANSYS Modeling and Meshing Guide 。No Boundaries ANSYS热 分 析 指 南2、施加载荷计算1、 定 义 分
