热分析基本概念教学课件PPT.ppt

第八课,热分析基本概念,2-2,热分析目的,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。,2-3,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,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。,2-4,符号,下列符号在全文中的意义如下：,f,2-5,ansys中标准单位 ( si ),温度 热流量 热传导率 密度 比热 对流换热系数 热流 温度梯度 内部热生成,degrees c ( or k ) watts watts/ ( meter - degree c ) kilogram/ ( meter3 ) ( watt-sec ) / ( kilogram-degree c) watt/ ( meter2 - degree c ) watt/ ( meter2 ) degree c / meter watt/ ( meter3 ),2-6,热传递的类型,热传递有三种基本类型: 传导 - 两个良好接触的物体之间的能量交换或一个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。 对流 - 在物体和周围介质之间发生的热交换。 辐射 - 一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。 在绝大多数情况下，我们分析的热传导问题都带有对流和/或辐射边界条件。,2-7,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：，式中为热流密度（w/m2），为导热系数（w/m-），“-”表示热量流向温度降低的方向。热传导的典型的是，热通量正比于温度梯度。 热传导在不同介质中产生的机理是不同。理论上 在气体中,是通过分子间的碰撞实现的; 在流体中,是通过分子通过在其相邻的其它分子为其形成 的“笼子”中的振动实现时的； 在金属中，主要是通过在金属电子运动来传递热的；,2-8,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），为固体表面的温度，为周围流体的温度。,2-9,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：，式中为热流率，为辐射率（黑度），为斯蒂芬波尔兹曼常数，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。由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。,2-10,传导,传导的热流由传导的傅立叶定律决定： 负号表示热沿梯度的反向流动(i.e., 热从热的部分流向冷的).,2-11,对流,对流的热流由冷却的牛顿准则得出: 对流一般作为面边界条件施加,tb,ts,2-12,辐射,从平面 i 到平面 j 的辐射热流由施蒂芬-玻斯曼定律得出: 在ansys中将辐射按平面现象处理(i.e., 体都假设为不透明的)。,2-13,热力学第一定律,能量守恒要求系统的能量改变与系统边界处传递的热和功数值相等。 能量守恒在一个短的时间增量下可以表示为方程形式 将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。,e,e,e,e,stored,in thru th,e boundary,out thru t,he boundar,y,generated,+,+,+,=,0,2-14,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）,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,q.,。,2-15,有限元方法,将控制微分方程转化为等小的积分形式( 参阅ansys理论手册第6.1 节 )。,2-16,热通量和热生成率,热通量是指单位时间、单位面积发射或接收的热能,通常以q表示,2-17,展开的控制方程,2-18,有限元热分析中的基本符号,求解连续性 温度在一个单元中和单元内部边界上是连续的(i.e., 单值的) 温度梯度和热流在一个单元中是连续的，在单元内部边界上是不连续的 能量平衡在每个结点上都能够满足，因为基本方程表示了结点能量平衡。 热传导的傅立叶定律满足因为它用于推导基本方程并用于从单元温度梯度中求解单元热流。,2-19,有限元热分析中的基本符号（续）,一般来说，稳态分析中网格上结点温度比实际温度要低。也就是说，如果加密网格，温度将增加，但加密到一定程度，结果将不显著增加(i.e., 结果收敛)。,t,网格密度,2-20,如何使热传递分析包括非线性?,传热问题可以是非线性的，因为材料特性受温度或因边界条件是非线性的。通常情况下，性能材料非线性与温度相关的是轻度的，该属性不随温度的变化迅速。 然而，当潜热效应计算在内，分析可能是严重的非线性的。,2-21,何时需要定义比热和密度?,瞬态问题, 这些数值用于形成比热矩阵(该矩阵表示瞬态分析中需要的热能存储效果). 稳态分析中包括有热质量传递效果(i.e.,模型中有流动导体介质).,2-22,与结构分析的比较,结构 位移 力 均布载荷 应变 应力 温度分布 内部载荷 塑性基础 无 接触,热 温度 热流率 热流 (施加的) 温度梯度 热流 (计算的) 内部热生成 (heat/volume) 无 对流 辐射 恒温器,对于熟悉结构分析的人来说，下面的表格将是非常有帮助的:,2-23,单元库,1-d thermal network elements (可以使用在1-d, 2-d和3-d单元中)。,link31 radiation link,link32 2-d conduction bar,link33 3-d conduction bar,2-24,单元库,1-d thermal network elements (续),link34 node-node convection link,mass71 lumped thermal mass,可以用于定义与温度有关的热源,2-25,单元库,控制单元 - 允许用户在有限元模型中加入反馈。最简单的方法 - 恒温器! 根据控制结点k或l的温度或温度差，一阶或二阶导数，温度积分，或时间，程序可以打开或关闭结点i和j之间的热流。,combin37 node-node control element,2-26,单元库,2-d solids - 传导 平面或轴对称( 几何, 载荷, 材料特性) 对于轴对称性质，全局笛卡儿坐标 x为径向且所有x-坐标必须 0,plane55,plane35,2-27,单元库,2-d solids - 传导 (续),plane77,2-28,单元库,2-d solids - 传导 (续) 谐波单元(几何和材料特性轴对称但边界条件非轴对称)。全局笛卡儿坐标 x为径向且所有x-坐标必须 0。使用傅立叶级数载荷迭加技术, 因此单元限于线性分析。,plane75,plane78,2-29,单元库,3-d solids - conduction,solid70,solid87,solid90,2-30,单元库,壳单元包括2-d平面内的传导和平面外的对流,shell57,2-31,单元库,1-d 热-流 单元 同时求解带泵效应的1-d伯努利方程和1-d带质量传递效果的热传递(耦合场) 可以在对流中连接平面效果单元 用户可对边界