热分析基础.ppt

1、热分析,热分析目的 热分析用于计算一个系统和部件的温度分布及其它热物理参数, 如热量的获取或损失、热梯度、热流密度(热通量)等。 热传导的三种基本类型 1) 传导: 两个良好接触的物体之间或一个物体内部不同部分之间由于 温度梯度引起的能量交换。 2) 对流:在物体和周围流体之间发生的热交换。 3) 辐射:一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。,ANSYS热分析基础,A.基本概念-符号及意义,时间 温度 密度 比热 对流换热系数 吸收率 施蒂芬-玻耳兹曼常数 热导率 热流率 热流密度 内部热生成 热(能量),A.基本概念-国际单位,温度 热流率 热传导率 密度 比热 对流换热系数 热通

2、量(热流密度) 温度梯度 内部热生成,Degrees C ( or K ) Watts Watts/ ( meter.degree C ) kilogram/ ( meter3 ) ( Watt.sec ) / ( kilogram .degree C) Watt/ ( meter2.degree C ) Watt/ ( meter2 ) degree C / meter Watt/ ( meter3 ),A.基本概念-英制单位,温度 热流率 热传导率 密度 比热 对流换热系数 热通量(热流密度) 温度梯度 内部热生成,Degrees F (or R) BTU / hr BTU / ( hr

3、inch degree F ) lbm / ( inch3 ) BTU / ( lbm degree F ) BTU / ( hr inch2 degree F ) BTU / ( hr inch2 ) degree F / inch BTU / ( hr inch3 ),B.热传递的三种类型-传导,传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定： 负号表示热量沿梯度的反向流动 (例如, 热量从热的部分流向冷的部分).,B.热传递的三种类型-对流,对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出: 对流一般作为面边界条件施加,B.热传递的三种类型-辐射,从面 i 到面 j 的辐射热通量由施蒂芬-玻耳兹曼定律得出:

4、 在ANSYS中将辐射按表面现象处理(即体都假设为不透明)。,能量守恒要求系统的能量改变与系统边界处传递的热和功数值相等。 能量守恒在一个微小的时间增量下可以表示为方程形式 将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。,C.热力学第一定律,D.热传递分析的非线性,当比热矩阵、热传导率矩阵和/或等效节点热流向量是温度的函数时，分析就是非线性的，需要迭代求解平衡方程。如果所有三项都是与温度有关的，那么控制方程可以写为如下形式: 下面几项都可以使得分析包括非线性: 与温度相关的材料特性 与温度相关的对流换热系数 使用辐射单元 与温度相关的热源（热通量流） 使用耦合场单元（假设载荷向量耦合

5、）,D.稳态热分析,若热能流动不随时间而变化,就称热传递是稳定的。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,因此稳态热平衡满足热力学每一定律。相应的有限元平衡方程为:,2.热分析的基本步骤,介绍热分析基本步骤 前处理:建模(?) 求解:施加载荷进行求解 后处理:查看结果 目的： 重温一般分析过程步骤 介绍热荷载和边界条件,几何模型 可以在 ANSYS 中建立或输入。 包含改善模型的细节： 目的是充分模拟结构的热量。 对流荷载需要施加到准确模拟的面。 热生成荷载需要施加到准确模拟的体。,A.前处理-几何模型,单元类型 下表为常用的热单元类型。 节点自由度是：TEMP。,常用的

6、热单元类型,A.前处理-网格处理,A.前处理-网格处理,材料特性 至少需要 Kxx 稳态分析热传导系数。 如果施加内部热生成，则需要比热 (C) 。 优先设置为 “thermal” （热分析），在 GUI 方式中只显示热材料特性。 实常数 主要用于壳和线单元。,热荷载可以是： 温度模型中温度已知的范围。 热流热流率已知的点。 热通量单位面积上热流率已知的表面。 对流热通过表面对流传给周围流体（或传入） 。 输入对流换热系数 h， 流体的平均温度 Tb 。 热生成体热生成率已知的范围。 绝热面“绝热面”， 该面不发生热传递。 辐射通过辐射产生热传递的面，输入辐射系数，Stefan-Boltzma

7、nn常数，“空间节点”温度作为可选项输入。,B.求解-载荷类型,不同于结构分析的位移和力边界条件，热分析的温度和热流边界条件不依赖于节点坐标系。,B.求解-节点坐标系,温度约束 在模型上给定已知温度。,施加温度约束： Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Temperature 选择施加约束的实体类型。 在图形窗口拾取相应的实体。 然后输入温度值，缺省值为零。 或使用 D 系列命令： DK, DL, DA, D.,B.求解-温度约束,施加热流，需要给出以下信息： 节点或关键点号（也可以拾取） 热流值 (单位必须与采用的单位制一致） 使用：

8、Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Heat Flow 或用命令 FK 或 F,B.求解-集中热流,集中载荷 Heat flow 热流率(功率) 国际单位: W (瓦),热通量： 施加热通量： Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Heat flux 选择施加热通量的实体模型， 2-D模型一般在线上，3-D 模型在面上。 在图形窗口拾取相应实体。 然后输入热通量值。 或使用 SF 系列命令： SFL, SFA, SFE, SF。,B.求解-热通量,分布载荷 Heat flux 热通量(

9、热流密度) 国际单位: W /m2,对流荷载 施加对流： Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Convection 选择施加对流的实体模型，通常 2-D 模型是在线上，3-D 模型是在面上。 在图形窗口中拾取所需实体。 然后输入对流换热系数和环境温度值。 或使用 SF 系列命令： SFL, SFA, SFE, SF。,B.求解-对流,热生成 施加热生成： Maine Menu Solution Define Loads Apply Thermal Heat Generation 选择施加热生成的实体模型，通常对 2-D 模型是在面上，3-

10、D 模型是在体上。 在图形窗口拾取相应的实体。 然后输入热生成值。 或使用 BF 系列命令： BFL, BFA, BFE, BF。,B.求解-热生成,绝热面 “完全绝热” 面，该面不发生任何热传递。 这是缺省条件，即，没有指定边界条件的任何面自动作为绝热面处理。 对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。,B.求解-绝热面,改变和删除荷载 改变荷载值，只需用新的荷载代替原来荷载即可。 删除荷载： Main Menu Solution Define Loads Delete 删除实体模型荷载时，ANSYS 自动删除所有相应的有限元荷载,B.求解-改变和删除载荷,稳态与瞬态分析 稳态分析，假定荷载是稳

11、定状态，几乎不随时间变化。 瞬态分析，指荷载随时间而变化。,例如，假定分析电熨斗，开始1 分钟到温度不再变化的热状态。 电熨斗开始一分钟的运行状态应该是瞬态分析。 而后到温度不再变化是稳态分析。,B.求解-求解选择,热分析结果观察一般包括： 温度分布 热梯度分布 热流通量分布,C.后处理-观察结果,温度分布： 画温度等值线图： General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solution Temperature 或使用 PLNSOL 命令。,C.后处理-观察结果(温度分布),热梯度： 画热梯度等值线图： General Postproc P

12、lot Results Contour Plot Nodal Solu或用 PLNSOL 命令 General Postproc Plot Results Contour Plot Element Solu或用 PLESOL 命令,C.后处理-观察结果(热梯度),热通量： 画热通量等值线图： General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu或用 PLNSOL 命令 General Postproc Plot Results Contour Plot Element Solu或用 PLESOL 命令,C.后处理-观察结果(热通量),反向热

13、流 反向热流率之和必须与施加的热流率之和相等。 最好列表检查： General Postprocessor List Results Reaction Solution或用 PRRSOL 命令。,C.后处理-观察结果(反向热流),检查结果，以确信解是可靠的。根据求解问题的类型，确定要检查的内容。但是，有几个典型问题值得注意： 有限元计算结果与手工计算或实验数据是否一致？ 温度解是否正确？应先检查 FEA 温度解，因为 FEA 热通量是二阶结果。 反向热流是否与施加的热流平衡？ 最大热流位置在哪儿？ 如果热流奇异，例如是点荷载或凹角处，热流值通常没有意义。,C.后处理-检查结果,网格精度是否足够？ 这始终是一个有争议的问题，但可以通过误差估计来确定网格精度是否足够. 其它检查网格精度的方法： 画单元解（非平均结果），发现热通量梯度高的单元，这些单元所在位置是网格应该细分的区域。 如果节点（平均）和单元（非平均）的热通量等值图有较大差别，则网格可能太粗。 同样，若 PowerGraphics 与 full graphics 方式显示的热通量有显著区别，网格划分可能太粗。 将单元细分为原来的两倍，然后求解比较结果（这通常不一定可行）。,C.后处理-检查结果(续),3.练习,问题描述 1个内、外径分别