热力学仿真必备基础

1、热力学仿真必备基础热力学应该说是介于CAE和CFD之间的学科，与结构分析以及流体动力 学分析都有交集。热力学基础内容并不多,所以今天就花一节的篇幅简单 介绍一下热力学分析的一些基础。本节的关键词：热力学分析的应用；热传导；热对流；热辐射；热应力。热力学相关的问题也是产品工程师在设计时所面临的一个难点，由热力学 所引起的问题包括过热，热应力，热效应对产品尺寸的影响等等。热力学问题常出现在电子产品相关的设计中,为了避免过热，需要在产品 中设置冷却或散热装置，如风扇和水冷等，但另一方面,这些装置的存在 也使得产品的体积变得更大，对于一个电子产品来说，如手机，体积过大 是会严重影响美观的，所以怎样将产

2、品体积设计的小而不受热力学效应影 响从而高校工作是产品设计的一个难点。当然，热力学分析也用在传统的 工程机械中，如旋转摩擦现象产生的热效应。热力学分析软件的出现使得产品在初期设计就可以发现问题所在，从而可 以更大的节约开发时间和成本。结构分析和热力学分析的异同点结构分析热力学分析戦荷：单位氏度所受力较荷内部(工长度严先的热駅边界条件：1占1定，强制位移等边界条件：温反位移应变热虽梯度应力热迪戢热传导(Heat Transfer)的三种机理传导(Conduction ):物体内部的热量传递对流(Convection ):物体被流体介质所包围，如水,空气等，物体和 这些介质间发生热转移，热量进出物

3、体。辐射(Radiation ):同样是热量进出物体，只要是热源，彼此之间不论 是否有介质，都会发生热辐射。下图是一个说明这三种机理非常形象的例子：容器手柄内部的热量转移就 是传导；热水和铁质容器之间的热量交换就是对流；火由于温度较高就会 产生热辐射。(1 )传导传导发生的内部机理是因为分子或者中子的振动，使温度从高温区域向低 温区域转移。数学原理如下：个薄板件的热传导示意图(2)对流对流描述了物体表面和周围介质(如空气,水，油等等)的热交换。决定 对流强度的一个重要因素是对流系数。数学原理如下：对流又分为两种：自然对流(Natural Convection)和强制对流(ForcedConve

4、ction)0自然对流的发生是由于热冷物质间的重力效应引起；强制 对流由外部作用所引起(如风扇，自然风等)。上图是一个LED灯的自然对流的例子。由于LED等工作时温度较高，而 上空的空气温度低,在重力作用下产生自然对流现象。上图是一个强制对流的例子，为了给PCB板散热，加装风扇产生瞬时热转 移的强制对流现象。(3 )辐射 辐射不论是否有介质，发热物体都会产生辐射，并且通过电磁波的作用散 发出去。上图是车灯内部的辐射现象，当车灯打开时,车灯发热,车灯和灯罩以及 透镜之间产生热辐射。热应力我们都知道一个简单的自然现象：热胀冷缩，即物体受热膨胀,受冷收缩，所以当温度在固体内部发生变化时，体积也会发生

5、一定变化，但如果 有一个外力作用到物体上阻止其发生变形,那么可以想象,这种情况下就 会发生热应力。如上图所示，一个杆件在加热时膨胀，如果让其自由膨胀而不加以约束变 形，那么就不会产生热应力；但如果两端都固定时，由于限制了其变形， 就会产生热应力，这是很好理解的。PCB板上,当芯片受热时,其引脚受热变形产生热应力线性和非线性热传导根据材料特性、热传导力学形式和分析条件的不同，又可以将热传导分为线性和非线性热传导两种。O对于线性热传导分析，假设材料特性不会随看温度的改变而改变。然而，大多数材料，特别是金属材料,其材料属性如导热系数,比热以及密度是随看温度改变而改变的。所以分析金属材料的遍度分布时,

6、按理说是需要 考虑这种非线性现象的。O另外,对于传导和对流两种热传导，从数学表达式可以看出，热传导热量Q是和温度差成正比的，但辐射热量却是和温度的4次方的差成正比，所 以辐射是高度的非线性现象，需要考虑非线性。O此外,线性分析中要求加载和边界条件不变（热源和环境的遍度不变）， 这是需要一些假设的非线性分析总是让人头疼的。所以在现实生活中,虽然材料属性随看温度 的改变而发生改变，但工程师为了简化问题,大多数时候都是通过一些简 化和假设，通过线性分析来获得较为合理的结果。*吉构和CFD联合分析在普通的结构分析模块中，是可以进行热力学分析的，比如赋予物体热源 温度、给定对流系数和传导系数，那么就可以求出一些物理量，但前提