有限元熱場分析

熱場的有限元分析基本的熱現(xiàn)象ANSYS的熱分析簡介穩(wěn)態(tài)熱分析瞬態(tài)熱分析第一部分基本的熱現(xiàn)象熱分析背景熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱通量〕等。熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演重要角色，如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等。在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五種產(chǎn)品中包含熱分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN不含相變熱分析。ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。ANSYS熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。熱傳導(dǎo)傳導(dǎo)：由于溫度梯度引起的內(nèi)部的能量的交換熱流密度熱導(dǎo)率溫度梯度熱對流熱對流：固體的表面與其接觸的流體之間，由于溫差存在而引起的熱量交換表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)固體表面的溫度周圍流體的溫度熱對流可以分為兩類：自然對流和強(qiáng)制對流熱輻射熱輻射：指物體發(fā)射電磁能，并被其他動(dòng)作吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程，溫度越高，熱輻射越高，熱輻射不需要介質(zhì)，真空中的熱輻射效率更高。確定絕對零度：在進(jìn)行熱輻射分析時(shí)，要將目前的溫度值換算為絕對溫度。如果使用的溫度單位是攝氏度，此值應(yīng)設(shè)定為273；如果使用的是華氏度，則為460熱流率(W)吸收率斯忒藩-伯爾茲曼常數(shù)，約5.67×10E-8(W/m2.K4)幾個(gè)小問題熱力學(xué)三大定律？真空導(dǎo)熱嗎？太陽的熱量如何傳到地球的？熱水瓶是如何阻止熱量喪失的？空調(diào)的加熱效率和電爐相比

，誰高？人的散熱功率大概是多少？什么是溫室效應(yīng)？具體原因是什么？第二部分ANSYS的熱分析簡介狀態(tài)上分：穩(wěn)態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場不隨時(shí)間變化瞬態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場隨時(shí)間明顯變化從物性、條件的線性度分線性分析：物性和邊界條件不隨溫度變化非線性傳熱：物性和邊界條件隨溫度變化熱分析中可能的耦合關(guān)系熱－結(jié)構(gòu)耦合熱－流體耦合熱－電耦合

熱－磁耦合熱－電－磁－結(jié)構(gòu)耦合等熱分析中的邊界條件絕熱邊界條件表面的熱量流為常數(shù)對流邊界條件輻射邊界條件相變或其他引起的恒溫邊界條件熱流率作為節(jié)點(diǎn)集中載荷，主要用于線單元模型中(通常線單元模型不能施加對流或熱流密度載荷)，如果輸入的值為正，代表熱流流入節(jié)點(diǎn)，即單元獲取熱量。如果溫度與熱流率同時(shí)施加在一節(jié)點(diǎn)上則ANSYS讀取溫度值進(jìn)行計(jì)算。熱流密度也是一種面載。當(dāng)通過單位面積的熱流率已知或通過FLOTRANCFD計(jì)算得到時(shí)，可以在模型相應(yīng)的外表面施加熱流密度。如果輸入的值為正，代表熱流流入單元。熱流密度也僅適用于實(shí)體和殼單元。生熱率作為體載施加于單元上，可以模擬化學(xué)反應(yīng)生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。ANSYS將熱分析的結(jié)果寫入*.rth文件中，它包含如下數(shù)據(jù)：基本數(shù)據(jù)：·節(jié)點(diǎn)溫度導(dǎo)出數(shù)據(jù)：·節(jié)點(diǎn)及單元的熱流密度·節(jié)點(diǎn)及單元的熱梯度·單元熱流率·節(jié)點(diǎn)的反作用熱流率·其它第三部分穩(wěn)態(tài)熱分析穩(wěn)態(tài)熱分析如果系統(tǒng)的凈熱流率為０，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：q流入+q生成-q流出=0，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化，穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為（以矩陣形式表示）[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。穩(wěn)態(tài)熱分析舉例某一潛水艇可以簡化為一圓筒，它由三層組成，最外面一層為不銹鋼，中間為玻纖隔熱層，最里面為鋁層，筒內(nèi)為空氣，筒外為海水，求內(nèi)外壁面溫度及溫度分布第四部分瞬態(tài)熱分析瞬態(tài)傳熱過程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個(gè)過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間都有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為（以矩陣形式表示）：[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)，[C]為比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加，{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量。(和力分析的瞬態(tài)、暫態(tài)比較？)瞬態(tài)熱分析的基本步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析類似。主要的區(qū)別是瞬態(tài)熱分析中的載荷是隨時(shí)間變化的。為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷，首先必須將載荷～時(shí)間曲線分為載荷步。載荷～時(shí)間曲線中的每一個(gè)拐點(diǎn)為一個(gè)載荷步。為何穩(wěn)態(tài)分析中不需要輸入比熱和密度？而瞬態(tài)分析中必須輸入這兩個(gè)量。非線性熱分析如果有下列情況產(chǎn)生，則為非線性熱分析：①、材料熱性能隨溫度變化，如K(T),C(T)等；②、邊界條件隨溫度變化，如h(T)等；③、含有非線性單元；④、考慮輻射傳熱相變問題ANSYS熱分析最強(qiáng)大的功能之一就是可以分析相變問題，例如凝固或熔化等。含有相變問題的熱分析是一個(gè)非線性的瞬態(tài)的問題：相變問題需要考慮熔融潛熱，即在相變過程吸收或釋放的熱量。ANSYS通過定義材料的焓隨溫度變化來考慮熔融潛熱。焓的單位是J/m3，是密度與比熱的乘積對溫度的積分。H=U+pVH是焓,U是內(nèi)能,p是壓強(qiáng),V是體積，物理意義:封閉體系不做