CH3稳态热传递.ppt

1、第 3 章,稳态热传递(没有热质量交换),3-2,稳态热传递,如果热能流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。 由于热能流动不随时间变化, 系统的温度和热载荷也都不随时间变化。 由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为: 输入的能量 输出的能量 = 0,3-3,稳态热传递控制方程,对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为:,相应的有限元平衡方程为:,3-4,热载荷和边界条件的类型,温度 自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。 均匀温度 可以施加到所有结点上，不是一种温度约束。一般只用于施加初始温度而非约束，在稳态或瞬态分析的第一个子步施加在所有结点上。它也可以用于在非线性分析中估计随温

2、度变化材料特性的初值。 热流率 是集中结点载荷。正的热流率表示能量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上。这种载荷通常用于对流和热流不能施加的情况下。施加该载荷到热传导率有很大差距的区域上时应注意。,3-5,热载荷和边界条件的类型,对流 施加在模型外表面上的面载荷，模拟平面和周围流体之间的热量交换。 热流 同样是面载荷。使用在通过面的热流率已知的情况下。正的热流值表示热流输入模型。 热生成率 作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。,3-6,热载荷和边界条件的类型,ANSYS 热载荷分为四大类: 1. DOF 约束 - 指定的 DOF (温度) 数值 2. 集中载荷 - 集

3、中载荷(热流)施加在点上 3. 面载荷 -在面上的分布载荷(对流,热流) 4. 体载荷 - 体积或区域载荷,3-7,热载荷和边界条件的类型,3-8,热载荷和边界条件的类型,热载荷和边界条件注意事项 在 ANSYS中, 没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。 对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。 如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。 响应热流率只在固定温度自由度时使用。,3-9,热分析样板,建立模型 指定分析名称和工作文件名。 如果需要，记录单位制。 进入前处理器 定义单元类型，检查基本设置。 如果需要，定义实参。 定义材料特性。 生成或导入模型。 划分网格。,3-10,热分析样板,

4、求解器 定义分析类型，检查分析选项。 施加载荷和边界条件。 指定载荷步选项。 执行求解。,3-11,热分析样板,查看结果 进入通用处理器和/或时序后处理器。 使用列表, 绘图, 等查看结果。 查看误差估计。 验证求解。,3-12,GUI 和 ANSYS 命令,ANSYS 是命令驱动程序。 ANSYS 命令可以手工输入，或用GUI(Graphical User Interface)输入或两种方法混用。 GUI提供了一种和ANSYS交流的简单的方法。 GUI根据用户操作自动生成ANSYS命令。,所有使用的命令列表在jobname.log 文件中。,3-13,GUI 和 ANSYS 命令,查看ANS

5、YS输出窗口中命令执行和文字输出。,3-14,稳态热传递例题说明,分析过程中的每一步使用简单的例子说明。,高亮度的方框中标出了例子的步骤。,基本描述 一个带有举行肋骨的长钢管从管中流动的热气体通过对流吸收能量。外表面暴露在大气中，热流从肋骨端部释放。.,ANSYS命令流文件在附录B中,3-15,稳态热传递例题说明,例题描述: 热气体的温度是600 F。内部的对流热交换系数是0.40 BTU/hr-in2-F。 外部大气温度是100 F。外部的对流热交换系数为0.025 BTU/hr-in2-F。 每个肋骨端部热流为 -20 BTU/in2 。 分析目标: 分析其中最小的循环部分，要求得到如下结

6、果: 1) 温度场分布。 2) 肋骨上下端面的对流热耗散。,3-16,稳态热传递例题说明,下面是一个截面。,建模说明: 内部对流载荷使用平面效果单元。 使用 “在线上施加对流”施加肋骨外表面上的对流载荷。 在肋骨短部施加热流。 假设钢管是非常长的，不考虑钢管端部的影响。 只对最小的循环部分建模。,3-17,稳态热传递例题说明,绝热对称边界,绝热对称边界,肋骨端部的热流,对流面,对流面,简化成了最小的可重复2D几何模型。,3-18,稳态热传递例题说明,稳态热传递例题的指导说明: 使用最小的可循环部分求解下列问题: 钢管/肋骨中的温度场分布 钢管/肋骨的对流热损耗 绘出钢管/肋骨面上的温度变化情况

7、。 使用轴对称的PLANE55单元划分网格。 在钢管内荆使用带有附加结点的平面效果单元SURF151。 假设为恒定的，各向同性的材料特性。 没有随温度变化的特性。,高亮度的方框中标出了例子的步骤。,3-19,建模,热分析的第一阶段包括建模和划分网格。 在本部分，我们要: 指定文件名和标题。 记录使用的单位。 进入前处理器 定义单元类型和基本选项。 查看实参定义。 定义材料特性。 生成几何模型。 划分网格。,3-20,建模设置GUI的菜单过滤选项,使用界面选项激活GUI菜单过滤; 只有与热分析有关的菜单项可以显示和使用。如果不设置，所有的菜单都可以看到并使用。,激活热菜单过滤并单击 “OK”。,

8、3-21,建模指定文件名,定义单独的文件名与其他分析题目区别开来。所有文件名将为jobname.ext，除了.log和.err文件是初始文件的jobname.log 和 .err。,变换文件名为 “stltube”,3-22,建模指定标题,为分析指定一个描述性的标题。标题将打印在图形的底部，并在载荷步文件和结果文件中显示。,输入标题: “Example - Steel Tube with Fins” 并单击 “OK”。,3-23,建模 单位,使用/UNITS命令记录分析中使用的单位制。,本例中使用的单位制记为British/Inches, 缩写为 “bin”,除了电磁场分析，用户不需“告诉”A

9、NSYS你所使用的单位制。但是，你可以使用/UNITS命令记录你所使用的单位。 一旦你决定了使用的单位制，请一直使用它。ANSYS 不提供任何单位转换。 选择的单位制将影响你的模型，材料特性，实参和载荷。 再次使用/UNITS并不完成单位制转换。,3-24,建模 单位,如要获得/UNITS命令的更多说明，请使用线上文档。,要使用帮助，在输入窗口中输入“help,xxxxx”; “xxxxx” 可以是单元类型(77), 命令(/units), 或单元类别(solid)。或者，使用UtilityMenuHelp下拉式菜单。,在输入窗口输入 “help, /UNITS” 查看线上文档。,3-25,建

10、模 单位,3-26,建模,现在，我们准备开始前处理. 请记住，高亮度的方框中标出了例子的步骤。,稳态热传递的例子。,3-27,前处理：建模定义单元类型,定义分析中使用的单元类型。,开始定义单元类型。注意现在还没有定义单元类型。单击“Add.”开始添加。,3-28,前处理：建模定义单元类型,使用HELP按钮得到单元库中的更多信息。 缺省状态下，第一个定义的单元类型其单元类型号为1。 因为GUI菜单过滤为热分析，只有热单元类型显示出来。,选择热实体单元PLANE55作为单元类型, 单击“Apply”。,然后选择本类别中的单元类型,先选择一个类别,3-29,前处理：建模查看并选择基本选项,基本选项

11、基本选项或 KEYOPTs 是与单元类型相关的选项。 查看或修改基本选项的方法是选择下图中的“Options”:,查看PLANE55缺省的基本选项。,3-30,前处理：建模查看并选择基本选项,使用下拉式菜单查看该单元的基本选项，并选择合适的数值。,改变单元特征。本例题需要轴对称单元。缺省值为平面单元。,3-31,前处理：建模平面效果单元,平面效果单元 - 介绍 平面效果单元象“皮肤”一样附着在实体单元的表面，经常用来施加载荷。 平面效果单元为施加面载荷提供了更多的方式，特别是当在同一区域施加对流和热流两种载荷时。 一个模型中附加的，离开模型表面一定距离的结点，可以用来代表周围流体的介质温度。该

12、“附加”结点同样对结果评估带来方便。,3-32,前处理：建模平面效果单元,平面效果单元 - 介绍 平面效果单元可以用来施加热生成载荷。 当对流换热系数随温度变化时，平面效果单元很方便; 基本选项的不同设置使得评估结果时选项也不相同。,注: 平面效果单元在第7章中还有更详细的解释。,3-33,前处理：建模平面效果单元,平面效果单元和对流 对流载荷可以直接施加到平面效果单元，实体单元或几何模型实体上。 在SURF151上使用“附加结点”选项可以在“附加结点”上指定结点温度，相当于周围介质的温度。,注: 本例题实际上不需要 使用平面效果单元，因为每个平面上只有均匀的对流(Hf和Tb为已知)。但是，在

13、管的内径施加平面效果单元将使得我们在后处理中更方便地得到热能耗散数值。,3-34,前处理：建模定义单元类型,注意，第二个定义的单元自动定义为单元类型2 automatically。,定义热平面效果单元SURF151。这是本例中的第二种单元类型。,3-35,前处理：建模查看并选择基本选项,查看SURF151单元的缺省基本选项并单击 “Options”。,3-36,前处理：建模查看并选择基本选项,将单元行为从平面改变为轴对称。注意 K4的改变, 移去中间结点；K5的改变, 对流计算中包含附加结点。结束后单击“Close” 。,3-37,前处理：建模定义并检查实参,实参 实参是指定单元类型的几何特征

14、。 并不是所有的单元类型都需要实参。 有些单元类型只有在选择了某些基本选项时才需要实参。 使用ANSYS在线帮助得到更多的关于实参的说明。 第一个定义的实参缺省指定为 实参号1。,3-38,前处理：建模定义并检查实参,检查需要的实参。注意现在没有定义任何实参。单击“Add.”开始。,3-39,前处理：建模定义并检查实参,定义实参: 首先选中要定义实参的单元类型 然后，在对话框中输入相应的数字以定义实参。,例题中的单元类型都不需要实参。,注: 如果有HGEN载荷施加到平面效果单元上时，必须指定厚度。,3-40,前处理：建模定义并查看材料特性,稳态热分析中关于材料特性的总体说明 对于稳态分析，热材

15、料特性必须输入热传导率“k”-KXX, 和可选的KYY, KZZ。 如果用户不定义，KYY和KZZ缺省等于KXX。 密度(DENS)和比热(C)或热焓(ENTH)在没有质量传递的稳态热分析中不需要。 随温度变化的材料导热系数k, 使得热分析为非线性。 与温度有关的换热系数也被处理为材料特性。,3-41,前处理：建模定义并查看材料特性,在ANSYS中定义材料特性的选项: 在材料特性对话框中输入需要的数值。 从ANSYS材料库或用户自定义材料库中读入材料特性。 在定义了材料特性以后，也可以将材料特性写到文件中以备后用。,3-42,前处理：建模定义并查看材料特性,要从材料库中读入材料特性，只要指定包

16、含所需数据的文件路径和文件名即可。,3-43,前处理：建模定义并查看材料特性,要手工输入材料特性，首先选择合适的材料行为特性选项( 均匀各向同性，均匀各向异性，对温度变化) .,本例中使用的材料特性是均匀各向同性的。第一种材料缺省的材料号为1。,3-44,前处理：建模定义并查看材料特性,然后，在对话框中输入需要的数值.,对于均匀各向同性的稳态热分析，只需要KXX的数值。,本例中使用钢的热传导率为 0.75 BTU/hr-in-F,3-45,前处理：建模 随时间变化的材料特性,对于随时间变化的材料特性，先要定义指定数值所对应的温度.,依次输入6个温度数值,只是举例，不要使用这些数据。,3-46,

17、前处理：建模随时间变化的材料特性,然后，指定特性标志并给出对应前面温度的数值.,输入的数值应该对应于温度表。,只是举例，不要使用这些数值。,3-47,前处理：建模 使用随时间变化的材料特性,ANSYS如何使用这些数据? 随温度变化的材料特性在每个单元中计入一次。在单元体内材料特性假设为均匀的。 对于给定的单元，其温度为:,3-48,前处理：建模 列出材料特性,可以选择下列菜单列出材料特性. 对于均匀各向同性材料: 对于随温度变化材料:,3-49,前处理：建模绘制材料特性,除了列表，还可以绘制随温度变化的材料特性。选择要绘制的材料特性和温度数值范围和/或特性数值范围（可选）。,只是举例，不要使用

18、该数据。,3-50,前处理：建模绘制材料特性,随温度变化的材料特性绘图示例。,只是举例，不要使用该数据。,3-51,前处理：建模删除材料特性,材料特性可以单独删除，或使用下面的菜单删除多个材料特性:,3-52,前处理：建模使用输入的几何模型,几何模型可以从多种CAD程序的标准图形文件输入到ANSYS。使用 FileImport菜单选项:,注: 下面的对话框是选择了IGES格式后弹出的。,3-53,前处理：建模生成几何模型,几何模型可以在ANSYS中生成。在这里我们使用预选定义好的几何体生成例题中的模型。,使用预先定义的体生成两个面，并如例题中所示输入尺寸。,3-54,前处理：建模生成几何模型,

19、输入矩形角点坐标。ANSYS将生成该矩形和其中的线和关键点。 选择“Apply”使对话框保持打开。选择“OK”关闭对话框。,3-55,前处理：建模生成几何模型,画面。 ANSYS在生成两个矩形后会自动生成右面的图形。图形会自动fit到当前的图形窗口中。,3-56,前处理：建模生成几何模型,布尔操作如相交, 相加, 相减, 分割, 粘接, 覆盖和分离等都能够用于对几何模型进行操作。,使用 Booleans OverlapAreas命令 以生成需要的几何模型。,3-57,前处理：建模生成几何模型,“Pick All” 选择了两个面进行覆盖 操作并执行该命令。,3-58,前处理：建模生成几何模型,使

20、用PlotControlsNumbering 命令打开面号。显示颜色和号码 (/NUM)。,要清楚地看到每个实体，打开Utility Menu中的号码控制。,3-59,前处理：建模生成几何模型,覆盖操作后绘制面，面号选项打开，号码和颜色都显示。,3-60,前处理：建模布尔操作的总体说明,缺省情况下，布尔操作的输入实体在操作完成后删除。 删除的实体号码将为“空”。也就是说，它将会被重新赋值给布尔操作新生成的实体，从最小可用号码开始。 对面进行覆盖操作时，在原来面的重合区域将生成一个新的面。然后，其他新的面积将通过在原来面积上挖去这一公共区域而形成。所有的面将共用边界线和关键点。 要复习布尔操作的

21、步骤，请参看如下文档： ANSYS 在线帮助 ANSYS 建模和分网手册,3-61,前处理：建模定义属性,单元属性 单元属性是在划分网格之前要定义的模型特性。包括: 材料特性 单元类型 实参 单元坐标系 每个特定的属性类型在一个模型中都有一个独立的参考号。,3-62,前处理：建模定义属性,材料特性 (续) 单元属性可以使用AttributesDefine或使用MeshTool指定。 MeshTool更方便，因为网格控制等后续的工作在MeshTool中同样可以设置。 当使用多个单元类型，材料或实参时，保证不同特性对应相应的模型区域。 单元属性可以列表和绘图以方便检查模型。 属性可以全局的设置，也

22、可以在划分网格之前设置给特定的体，面，线和关键点。,3-63,前处理：建模定义属性,使用MeshTool定义属性:,选择要设置属性的实体。,3-64,前处理：建模定义模型属性,设置属性时，使用下拉式菜单查看选项，并选择合适的数值。,注：在本步之前应该已经定义好了单元类型，材料和实参。,注：ESYS主要用于各向异性材料的定义。,3-65,前处理：建模设置网格控制,网格划分需要如下的步骤： 1) 设置单元属性。 (单元类型，实参，材料特性) 2) 设置网格控制。 设置控制网格大小(网格密度)和网格形状的选项。 3) 存储数据库(可选)。 4) 生成网格。,3-66,前处理：建模设置网格控制,ANS

23、YS网格划分(续): 如果不设置网格控制时划分网格，网格将具有如下特征: 将是自由划分，而不是映射划分。 单元大小由ANSYS确定( 可以满足普通的计算精度要求)。 单元类型1，材料1，实参1将用来划分网格。 有许多方法设置网格控制。参考ANSYS建模和分网手册以得到更多的解释。,缺省状态下，网格属性设置为单元类型1，材料1和实参1，因此在例题中不需要重新定义。,3-67,前处理：建模设置网格控制,下一步是设置划分网格的大小(网格密度)。全局大小是用于生成均匀大小的网格。,例题中全局网格长度设置为0.06。,3-68,前处理：建模划分模型,使用MeshTool, 指定: 1) Mesh: ar

24、eas 2) Shape: quad 3) Mesher: mapped; 3 or 4 sided 4) 在选择菜单中选择 “Pick All” 5) 关闭MeshTool,3-69,前处理：建模划分模型,得到的单元绘图如下。,3-70,前处理：建模划分模型,继续划分网格; 生成平面效果单元 生成平面效果单元中的注意事项: 在生成平面效果单元之前，需要先作一些另外的前处理工作: 设置属性为使用单元类型 2, SURF151。 生成“附加结点” ( KEYOPT5)。 平面效果单元将使用面上现有的结点生成，并且参考“附加结点”。,3-71,前处理：建模划分模型,定义划分网格的属性使用菜单Att

25、ributesDefine如下:,单元类型号设置为: 2 SURF151,3-72,前处理：建模划分模型,绘制结点 注: 由于使用现有的结点定义平面效果单元，将图形转换到结点图可以方便选取需要的结点。,3-73,前处理：建模划分模型,生成 “附加结点”需要SURF151定义。 注: 使用直接生成来生成附加结点。活动坐标系是全局笛卡儿坐标系。,3-74,前处理：建模划分模型,注: 这里，选择结点号1000, 比其他任意结点号码都大，以使得“附加” 结点容易辨认。如果该域空白，则下一个可以使用的结点号码将赋值给新的结点。,注: “附加” 结点的位置是可选的，这里是x=1.0, y=2.5。,3-7

26、5,前处理：建模划分模型,结点图将自动更新以包括新的结点。使用Use Box Zoom 或其他 Zoom 命令查看需要看清的部分。,3-76,前处理：建模划分模型,现在已经准备好生成平面效果单元。,生成平面效果单元,3-77,前处理：建模划分模型,使用Box选择选项只选择管内部的结点生成平面效果单元。,3-78,前处理：建模划分模型,检查所有9个结点是否全部选中; 单击“Apply”,3-79,前处理：建模划分模型,使用鼠标点取附加结点，或在输入窗口中输入1000。然后，单击“OK”。,3-80,前处理：建模划分模型,现在平面效果单元将自动绘制出来。,3-81,前处理：建模用绘图方法检查属性,

27、可以打开Numbering Controls用绘图方法检查属性。 只需要打开特定实体的on/off开关并选择使用和种方式。,要检查单元类型是正确指定的，只要打开基于单元类型号的号码显示即可。,3-82,前处理：建模用绘图方法检查属性,在本例中，用绘图方法检查单元类型是否正确指定。 注: 在本例中，我们如果不在划分网格之前将单元属性改变的话，就无法得到单元类型 2, SURF151单元。,3-83,前处理：建模用绘图方法检查属性,使用/SHOW命令切换到向量绘图。要使得号码更容易阅读，设置Plot ControlsDevice Options中的选项。,在此，切换到向量图将生成单元的边框图。,3

28、-84,前处理：建模用绘图方法检查属性,单元以向量方式绘制，单元类型用颜色和号码打开来区别。,使用命令 /SHOW 重新设置绘图选项。,3-85,求解过程,求解过程 我们现在将要开始热分析的下一个分析过程；求解过程 在本步，我们要: 定义分析类型，检查分析选项 施加载荷和边界条件 进行求解,3-86,求解过程定义分析类型,指定这是一个新的分析，类型为稳态分析(这是缺省值)。,3-87,求解过程定义分析选项,分析选项 对于只有一个载荷步的线性，稳态，热分析，只需要设置方程求解器。 其他分析选项如牛顿-拉夫森选项和温度偏移设置，只在非线性辐射问题中需要，在后面的章节中讨论。,注: 在ANSYS 5

29、.5中, 当求解控制打开，缺省求解器 为稀疏矩阵求解器,3-88,求解过程定义分析选项,改变到迭代求解器求解大的3-D模型。,检查温度偏移; 通常在辐射问题中需要。,3-89,求解过程定义分析选项,求解器 下列求解器可以选择*: 波前求解器(缺省) 雅可比共轭梯度求解器(JCG) JCG 超内存求解器 不完全的Cholesky共轭梯度求解器(ICCG) 预条件共轭梯度求解器(PCG) PCG 超内存求解器 迭代 (快速求解;自动求解器选择),* provided there are no mass transport of heat effects,3-90,求解过程定义分析选项,迭代(快速求

30、解)选项 快速求解选项可以用于除了以下情况的任意线性，非线性，稳态或瞬态热分析： 可能不能用于旧的平面效果单元, SURF19和SURF22。 可能不能用于辐射计算。 不推荐用于带相变的热传递问题。,注: 本选项不生成jobname.emat和jobname.erot文件，可以节约机时和硬盘空间。分析重启动在使用快速求解选项时不能使用。,3-91,求解过程定义分析选项,使用快速求解选项时，必须指定精度级别。,3-92,求解过程定义分析选项,温度偏移 温度偏移是指绝对零度和所使用温度系统的零度之间的差值。 温度偏移可以使用分析选项菜单指定，或使用命令TOFFST,value。 温度偏移是可选的，

31、但在下列情况下必须使用： 有辐射效果，并且使用了F 或C。 使用了随温度变化的热生成率(MASS71)。,例题中使用了BIN单位，和华氏温度。华氏温度比列氏温度要偏移460度。,3-93,求解过程施加温度载荷和边界条件,几何模型载荷和有限元模型载荷 温度载荷可以施加到几何模型和/或有限元模型上。 几何模型载荷独立与网格划分。网格可以改变但载荷保持不变。 几何模型载荷比较容易施加，特别是在图形窗口选择时。 在关键点上施加温度时要当心。使用扩展选项将温度扩展到线上的所有结点上，而不是只施加到线段的终点上。 在ANSYS 5.5中, 温度可以直接施加到线上。 在同一区域内，几何模型载荷比有限元模型载

32、荷优先施加。,3-94,求解过程施加温度载荷和边界条件,常量数值和表格输入 使用表格数组参数，同样使用相应的命令和菜单选项。但是，不是指定实际的数值，而是指定表格数组的名字。 新表格可以在交互施加载荷时选择 “new table” 选项。一系列的对话框将引导用户定义表格。 这些特性同时适用于几何模型和有限元模型。 表格输入的其它细节可以参考第6章。,3-95,求解过程施加温度载荷和边界条件,节点温度设置 温度约束 (DOF 约束) 指定于模型中已知温度的部分。 指定到几何模型(关键点，线，面)的温度在求解之前将转换到节点上。,3-96,求解过程施加温度载荷和边界条件,注: 当GUI过滤设置到热

33、时，只有热载荷出现的 “Apply” 菜单里。,节点温度指定 温度约束 (DOF 约束) 指定于模型中已知温度的部分。,3-97,求解过程施加温度载荷和边界条件,均匀初始温度 通用说明: 均匀温度可以施加到没有温度约束的节点上。 设置初始温度有两种基本原因: 作为瞬态分析第一个载荷步的起始温度。 在非线性分析中估计随温度变化的材料特性的初始值。,注: 第4，5章详细讨论了初始条件荷均匀初始温度的细节。,3-98,求解过程施加温度载荷和边界条件,节点热流速率 热流速率代表节点上单位时间的热流。 正的热流表示热能流入模型。 热流速率主要用于线单元 (传导杆件，对流单元等)热网络模型对流荷热流不能施加的情况下。 如果节点上既有温度又