Ansys热分析教程件(1).ppt

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100mm 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 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 GIncidentradiation GrefEnergyreflected GeEmissivePower JRadiosity 黑体是理想化的表面 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 1 总是成立的 灰体 ANSYS和辐射 ANSYS中关于辐射的重要假设和方法 ANSYS认为辐射是表面现象 因此适合用不透明表面建模 ANSYS不直接计入表面反射率 考虑到效率 假设表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 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 形状系数 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 包括视觉系数 形态系数 结构系数 形状因子由相互辐射的两个表面 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表面 j 上而得到 形状系数 续 两个平面的形状系数是面积 方向和距离的函数 形状系数 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 两个表面间的辐射热传递 要计算从一个表面 i 到另一个表面 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 ANSYS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 生成多表面辐射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 拉普森迭代求解 见第4章中关于非线性分析的详细内容 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 表面效应单元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 辐射通量法用于2D或3D的大型辐射问题 适用于所有的热单元类型 辐射建模使用表面效应单元建立辐射模型 表面效应单元用于建立面和点或面和空气间的辐射模型形状系数必须已知 但通常未知 SURF151用于2D平面 SURF152用于3D平面 辐射建模使用表面效应单元建立辐射模型 表面效应单元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 辐射建模使用表面效应单元建立辐射模型 SURF151单元选项1 设置辐射的附加结点为包括 K5 2 设置形状因子计算 K9 辐射建模使用表面效应单元建立辐射模型 表面效应单元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 辐射建模使用表面效应单元建立辐射模型 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 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 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 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 在不同定位的表面上生成形状因子 Fij 用于表面间的相互辐射 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 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 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 代表两个或多个表面间的辐射效果 它包括计算多个平面的形状系数 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 在使用辐射矩阵单元建立辐射模型有三个主要步骤 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 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 保证在相应的表面上指定不同的材料特性 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 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 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 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 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 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 Menu Solution Apply Thermal Radiation 点击要定义的辐射表面和单元 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 FLUXTOL 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 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 enclosurenumber temperature使用空间节点来定义空间温度 SPCNOD enclosurenumber nodenumber 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50 100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 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 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 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 HeatFluxonBaseSurface 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 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 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 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 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加热水槽分析 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 17BTU hr in2 2 2in2 37 4BTU 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 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