ANYSYS辐射热传递.ppt

1、第 8 章,辐射热传递,8-2,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 - 热沉的热分析 隐式求解方法 非隐式求解方法,8-3,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 100 mm。这包括超微波，所有可以用肉眼看到的波长，和长波。 不象其他热传递方式需要介质，辐射在真空中(如外层空间)效率最高。 对于半透明体(如玻璃), 辐射是三维实体现象因为辐射从体中发散出。 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都被实体吸收了。,8-4,基本特性 (续),A

2、NSYS 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。,8-5,平面辐射和吸收,平面辐射热到其他平面并从其他平面吸收热。当我们做辐射分析时，我们考虑的是辐射和吸收之间的净效果。 平面对不同波长都会辐射和吸收，而且随方向而改变。这些特性也随温度变化。,Wavelength,Direction Distribution,Emissive Power,8-6,散射或反射,平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: 反射平面会将辐射以近

3、乎镜象的方式反射:,Diffuse Surface,Spectral Surface,8-7,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。 没有实际的平面是真正的散射或反射面。比较灰暗的平面接近散射面，高度抛光的平面接近反射面。 为了简化计算，平面的辐射特性可以在所有的波长和方向平均。只有这些平均特性在后面的讨论中使用。因此，在散射和反射平面之间没有差别。,8-8,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,平面总吸收率, a, 与之吸收偶然辐射的趋势有关。 平面总

4、反射率, r, 与之反射偶然辐射的趋势有关。,8-9,发射率和发射能,同样，平面总发射率, 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。,8-10,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，

5、辐射率和发射率假设为相等 (E=J)。,G Incident radiation,Gref Energyreflected,Ge EmissivePower,J Radiosity,8-11,黑体 是理想化的平面，用来与实际平面进行比较。 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,8-12,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

6、1) 总是成立的。,灰体,8-13,ANSYS 和辐射,ANSYS中关于辐射的重要假设和方法: ANSYS 认为辐射是平面现象，因此适合用不透明平面建模。 ANSYS 不直接计入平面反射率。考虑到效率，假设平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) 。,8-14,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

7、射平面的相互作用。 要考虑的平面越多，问题越复杂:,8-15,形状因子,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 (包括视觉因子，形态因子 ，结构因子)。 形状因子由相互辐射的两个平面(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平面(j)上而得到:,8-16,形状因子 (续),两个平面的形状因子是面积，方向和距离的函数。,8-17,形状因子 (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:,8-18,两个平面间的辐射热传递,要计算从一个平面 (i) 到另一个平面 (j)的

8、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。,8-19,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: 生成多平面问题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-拉夫森迭代求解。见第4章中关于非线性分析的详细内容。,8-20,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: 平面效果单元 SURF151/SURF152 单元; 用于点和面或面和空气间的辐射效果。 (注: SURF19 和

9、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。,8-21,辐射建模使用平面效果单元建立辐射模型,平面效果单元 用于建立面和点或面和空气间的辐射模型 形状因子必须已知，但通常未知。 SURF151 用于 2D平面，SURF152用于3D平面。,8-22,辐射建模使用平面效果单元建立辐射模型,平面效果单元 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

10、特性: 实常数:,8-23,辐射建模使用平面效果单元建立辐射模型,SURF151 单元选项 1. 设置辐射的附加结点 包括 (K5)。 2. 设置形状因子计算 (K9)。,8-24,辐射建模使用平面效果单元建立辐射模型,平面效果单元 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:,8-25,辐射建模使用平面效果单元建立辐射模型,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

11、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)。,8-26,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,8-27,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。,8-28,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。 在不同定位的平面上生成形状因子, Fij。 用于平面

12、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。,8-29,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:,8-30,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, 代表两个或多个平面间的辐射效果。它包括计算多个平面的形状因子: 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

13、，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。,8-31,辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型,在 使用辐射矩阵单元建立辐射模型有三个主要步骤。他们是: 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。,8-32,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

14、不同的发射率，保证在相应的平面上指定不同的材料特性。,8-33,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。,8-34,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

15、。 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。,8-35,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 : Main MenuRadiation Matrix 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)。,8-36,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。,8-37,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-10 BTU/hr

16、-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。,8-38,辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型,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)。,8-39,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。

17、 8. 将辐射矩阵写到filename.sub 中在热分析过程中用做MATRIX50 超单元。,8-40,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。,8-41,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。,2,8-42,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

18、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。,8-43,辐射例题 使用辐射矩阵单元的热沉分析,问题描述: 情况1 - 铝合金热沉底座 (1/2 对称模型) 承受热流载荷。叶片通过与空气的对流冷却。 情况2 - 在情况1上添加辐射效果，使用hidden方法生成的辐射矩阵。 情况3 - 在情况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,8-44,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,模型尺寸:,8-45,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析

19、,指南: 热沉材料为铝合金，KXX = 8.5 BTU/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。,Note: Not all menus and 步骤s are detailed in the following pages.,Adiabatic,Adiabatic,Heat Flux on Base Surface,8-46,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,热载荷: 热流入底座= 17 BTU/hr-in2。 热沉顶端空气温度为 90 F。 叶片面上的换热系数为0.01 BTU/h

20、r-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)。,8-47,基本过程 情况 1- 热沉热分析 (无辐射)。 定义数值参数如下: base = .150 hgt = 1.0 ttop = 0.05 tbot = .150 fspc = .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quad PLANE55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。,Note: Use of scalar pa

21、rameters is not required. It is demonstrated only as one of many possible methods of generating geometry,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-48,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热沉分析,8-49,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,定义材料特性; 只需要KXX。,8-50,定义参数用于生成关键点。,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-51,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热沉分析,8

22、-52,用关键点生成的面。,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-53,第一次镜象形成的图形。,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-54,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热沉分析,8-55,单元图: PLANE55 quad 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热沉分析,8-56,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热沉分析,8-57,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 “

23、nn+1”。,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-58,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热沉分析,8-59,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热沉分析,8-60,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热沉分析,8-61,绘制施加的载荷和边界条件: 热流。,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-62,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热沉分析,8-63,检查结果。 列出响应解。与输入的热比较。,辐射例题使

24、用辐射矩阵单元的热沉分析,8-64,与输入的热比较 17 BTU/hr-in2 * 2.2 in2 = 37.4 BTU/hr,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-65,绘制热沉的温度场分布。,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-66,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。

25、 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热沉分析,8-67,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热沉分析,8-68,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。,8-69,检查覆盖网格的方向 打开单元坐标系绘

26、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热沉分析,8-70,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热沉分析,8-71,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热沉分析,8-72,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热沉分析,8-73,写出辐射矩阵。 选择Hidden方法求解本问题。 指定 sampling zones数目 (缺省为 20)。 指定生成的辐射矩阵文件名

27、。,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-74,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热沉分析,8-75,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热沉分析,8-76,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热沉分析,8-77,重新进入求解器。 现在包括了辐射效果，分析为非线性的。,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-78,进入后处理器查看结果。 注意辐射的贡献和对流的贡献: 结点813 (nn+1) SURF151单元的 “附加结点” 有对流载荷。 结点814 (nn+2) 空间结点用于辐射求解。,辐射例题使用辐射矩阵单元的热沉分析,8-79,包含辐射的