SURF152.doc

SURF1523-D 表面热效应单元MP ME ST PR PP EDSURF152 单元描述SURF152 可以用于各种变化载荷和表面效应。可以覆盖在任意3D热单元面上。该单元用于3D热分析，而且变载荷和表面效应可以同时存在。关于此单元更详细的信息请参看ANSYS, Inc. Theory Reference的SURF152。Figure152.1SURF152 几何形状SURF152 输入数据该单元几何形状，节点位置，坐标系如图Figure 152.1: SURF152 Geometry。该单元由4至9个节点和材料特性定义，一个额外的节点（不在单元上）可以用于对流或辐射效应。三角形单元可以通过把K，L定义到相同位置得到，在Triangle, Prism and Tetrahedral Elements中有详细描述。该单元默认X轴与I-J边平行。质量、体积和热生成计算要用到单元厚度（实常数TKI, TKJ, TKK, TKL）。厚度TKJ, TKK, 和TKL默认为TKI, 值为1.0。质量计算还用到密度（材料特性DENS）。关于单元载荷的描述请参看 Node and Element Loads。对流或热流可以作为单元的面载荷输入。表面对流传导矩阵计算需要用到膜层散热系数(用 KVAL = 0 的SFE 命令输入， CONV 为标号)。如果使用额外节点，其温度变为体积温度（按体积计算的平均温度）。如果未用额外节点，由KVAL = 2输入的CONV 值变为体积温度。表面热对流矢量计算需要用到体积温度。在一给定面上，热流或对流可以指定其中一个，但不能同时存在。设置KEYOPT(7) = 1 增加使用经验项ITS - TBIn 对膜层散热系数进行评估，TS是单元表面温度，TB是流体体积温度 ，n是经验系数 (常实数 ENN).当KEYOPT(5) = 1而且FLUID116单元在KEYOPT(2) = 1时的流动信息存在时，体积温度可能会用KEYOPT(6) = 1，实常数OMEG（角速度）和NRF (恢复系数)调整为壁绝热温度。这些项描述在ANSYS, Inc. Theory Reference中给出。对于此调整，旋转轴应该定义为全局笛卡儿坐标系的X、Y、Z轴(KEYOPT(3)。当使用OMEG实常数，可以通过输入数值或以表格形式输入。如果是用表格形式输入，用 % 把表格名封住（例如, %表格名%)。角速度(OMEG) 可以随时间和坐标变化。使用*DIM命令定义表格和变量。关于表输入的信息和例子，参看ANSYS APDL Programmers Guide里的Array Parameters ， ANSYS Basic Analysis Guide里的Applying Loads Using TABLE Type Array Parameters 和 ANSYS Thermal Analysis Guide里的Doing a Thermal Analysis Using Tabular Boundary Conditions ，还有ANSYS Commands Reference里的*DIM命令描述。使用SFE命令来指定的膜层散热系数可以通过用USRCAL命令激活用户子程序来修改。USERCV用于修改含有或不含有额外节点表面单元的膜层散热系数。如果膜层散热系数是温度或坐标的函数，也可以用来修改。如果单元有额外节点(KEYOPT(5) = 1)，体积温度或膜层散热系数可以通过用户可编程程序USRSURF116重新定义。如果体积温度或膜层散热系数是流体特性、速度、壁温度的函数，可以用USRSURF116来定义。如果体积温度是用USRSURF116定义的， 则可以超控任一个由SFE命令或KEYOPT(6)定义的值。同时, 如果膜层散热系数是用USRSURF116定义的，则可以超控任一个由SFE命令或USRCAL, USERCV定义的值。USRSURF116计算同过修改USRSURF116 子程序和创建一个自定义版本来激活，如果不修改USRSURF116则功能不会有变化。更多关于子程序的信息参看uide to ANSYS User Programmable Features。热生成率用BFE命令以每单位体积的形式输入，可以作为单元体载荷在节点处输入。单元体载荷不会加载到其它相连接的单元。节点 I 的热生成量为HG(I)，默认为0。如果其它热生成量没有指定，则默认为HG(I)。如果所有角节点的热生成量都输入了，则中节点的热生成量默认为相连角节点的平均值。对于其它输入的热生成量形式，未指定的均默认为0。热生成量载荷矢量计算需要用到热生成率值。即可以用BFE 命令，也可以用BF 命令直接在节点处指定热生成率。关于体载荷的更多信息，参看ANSYS Basic Analysis Guide中的Body Loads。SURF152 允许面和额外节点之间的热辐射。面的放射率(作为材料特性EMIS输入)用于表面辐射传导矩阵。形状系数（FORMF）和Stefan-Boltzmann常数(SBCONST) 同样用于表面辐射传导矩阵。形状系数即可以通过KEYOPT(9) = 1使用作为实常数（默认为1）输入，也可以在当KEYOPT(9) = 2 或 3时，由余弦效应自动计算得到。关于余弦效应是如何依靠基本单元方向和额外节点位置，参看ANSYS, Inc. Theory Reference。余弦效应中不包括距离效应。Stefan-Boltzmann 常数默认为0.119x10-10 (Btu/hr*in2*R4)。当 KEYOPT(4) = 0时,无中节点的边表明温度按线性变化，沿着边。更多关于使用中节点的信息查看ANSYS Modeling and Meshing Guide中的Quadratic Elements (Midside Nodes) 。单元摘要在SURF152 Input Summary中给出。单元输入一般说明在Element Input给出。SURF152 输入摘要节点 I, J, K, L 当 KEYOPT (4) = 1 和 KEYOPT (5) = 0I, J, K, L, M当KEYOPT (4) = 1和KEYOPT (5) = 1I, J, K, L, M, N, O, P当KEYOPT (4) = 0和 KEYOPT (5) = 0I, J, K, L, M, N, O, P, Q当KEYOPT (4) = 0和KEYOPT (5) = 1自由度 TEMP实常数 FORMF, SBCONST, (Blank), OMEG, NRF, VABS,TKI, TKJ, TKK, TKL, (Blank), (Blank),ENN, GC, JC关于实常数的描述参看Table 152.1: SURF152 Real Constants材料特性 DENS (密度)EMIS (放射率（emissivity）, 当 KEYOPT(9) 0)面载荷 对流- face 1 (I-J-K-L) if KEYOPT(8) 1热流量- face 1 (I-J-K-L) if KEYOPT(8) = 1体载荷 热生成量- HG(I), HG(J), HG(K), HG(L), 和当KEYOPT(4) = 0时的HG(M), HG(N), HG(O), HG(P)特殊特性 生死单元KEYOPT(1) 壁绝热温度选项:0, 1, 2- 关于此选项，参看 Adiabatic Wall Temperature as Bulk Temperature KEYOPT(2) 恢复系数(FR)选项:0, 1, or 2- 关于此选项，参看 Adiabatic Wall Temperature as Bulk TemperatureKEYOPT(3) 对称轴:0- OMEG 用于全局笛卡儿坐标系X轴1- OMEG 用于全局笛卡儿坐标系Y轴2- OMEG 用于全局笛卡儿坐标系Z轴KEYOPT(4) 中节点:0- 有 (和附近的实体单元匹配)1- 无KEYOPT(5) 关于额外节点的辐射或对流计算:0- 无额外节点1- 含额外节点 (当 KEYOPT (8) 1; 要求 KEYOPT (9) 0)KEYOPT(6) (只用于 KEYOPT(5) = 1 和 KEYOPT(8) 1) 使用体积温度:0- 额外节点温度作为体积温度1- 壁绝热温度作为体积温度KEYOPT(7) 经验项:0- 对于膜层散热系数不增加经验项1- 对于膜层散热系数增加经验项|TS-TB|n.KEYOPT(8) 热流和对流载荷:0- 全部忽略 (如果有任意一个)1- 包含热流，忽略对流使用下列来包含对流 (忽略热流):2- 用膜层平均温度(TS +TB)/2估算层膜散热系数hf 。 3- 在单元表面温度评估hf , TS4- 在流体体积平均温度估算hf, TB5- 在不同温度评估hf ，| TS - TB |KEYOPT(9) 热辐射形状系数计算:0- 不包括热辐射1- 使用带形状系数的热辐射2- 使用带余弦效应计算的辐射，以绝对值算。(忽略实常数)3- 使用带余弦效应计算的辐射，如果为负则认为为0。(忽略实常数)Table152.1SURF152实常数序号名称描述1FORMF形状系数2SBCONTStefan-Boltzmann 常数3(Blank)-4OMEGA角速度 (KEYOPT(6) = 1)5NRF恢复系数6VABS流体速度绝对值 (KEYOPT(1) = 0)7TKI节点 I处厚度8TKJ节点 J处厚度9TKK节点 K处厚度10TKL节点 L处厚度11-12(Blank)-13ENN经验系数14GC万有引力常数，用于保持单位一致15JC焦耳常数，用于单位转换SURF152 Output Data与单元有关的结果输出有两种形式: 整个节点解中的节点自由度解 另外的元素输出参看Table 152.2: SURF152 Element Output Definitions认为对流热流出单元为正；加载的进入单元的热流量为正。关于解的输出的一般说明在 Solution Output中查看.参看ANSYS Basic Analysis Guide 获得更多观察解的方式。元素输出定义表使用以下符号：在NAME一栏中冒号表示能用部件名路径进入的项ETABLE,ESOL。O一栏表示可从文件Jobname.OUT中获得的项。R一栏表示结果文件中可获得的项。无论在O或者R栏，Y表示该项总是可获得，表脚注中的数字表示该项在某种条件下可获得，a表示该项不可获得。Table152.2SURF152单元输出数据定义名称定义OREL元素号YYSURFACE NODES节点- I, J, K, LYYEXTRA NODE额外的节点 (如果存在)YYMAT材料号YYAREA表面面积YYVOLU:体积YYXC, YC, ZC报告结果的位置Y7VN(X, Y, Z)到单元中心的单位法向矢量的分量-YDENSITY密度-1MASS单元质量-1HGEN热生成量 HG(I), HG(J), HG(K), HG(L), HG(M), HG(N), HG(O), HG(P)2-HEAT GEN. RATE整个单元热生成率 (HGTOT)22HFLUX节点 I, J, K, L处热流量3-HEAT FLOW RATE单元表面热流率 (HFCTOT)33HFILM每个面节点的膜层散热系数44TBULK每个面节点的体积温度或额外节点温度44TAVG平均表面温度44TAW壁绝热温度55RELVEL相对速度55SPHTFL流体比热55RECFAC恢复系数55CONV. HEAT RATE单元面积对流热流率Convection heat flow rate over element surface area (HFCTOT)44CONV. HEAT RATE/AREA单位面积的平均对流热流率4-EMISSUR平均表面放射率(对于单元材料号)66EMISEXT额外节点发热率66TEMPSUR表面平均温度66TEMPEXT额外节点温度66FORM FACTOR单元平均形状系数66RAD. HEAT RATE整个单元辐射热流率 (HRTOT)66RAD. HEAT RATE/AREA单位面积平均辐射热流率6-1. 当dens 02. 当热生成（heat generation load）载荷存在。3. 当KEYOPT(8) = 14. 当KEYOPT(8) 15. 当KEYOPT(6) = 1 and KEYOPT(8) 16. 当KEYOPT(9) 07. 只能在质心作为一个*GET项获得。Table 152.3: SURF152 Item and Sequence Numbers列出了通过ETABLE命令利用序号途径可获得的输出。查看ANSYS Basic Analysis Guide 和 The Item and Sequence Number Table中的The General Postprocessor (POST1) 获得更多信息。下列符号在Table 152.3: SURF152 Item and Sequence Numbers中用到: Name 在Table 152.2: SURF152 Element Output