《動態(tài)熱力分析》課件

動態(tài)熱力分析課程大綱熱力學基礎復習熱力學第一、第二定律，狀態(tài)方程單元體積控制法單元體積控制方程，離散化方程，邊界條件溫度場分析瞬態(tài)熱傳導，定常熱傳導，邊界條件流場分析動量方程，湍流模型，邊界條件熱力學基礎復習熱力學第一定律能量守恒定律，能量形式可以相互轉化但總量保持不變。熱力學第二定律熵增原理，孤立系統(tǒng)的熵值總是隨著時間推移而增加。熱力學狀態(tài)方程描述熱力學系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)之間關系的數(shù)學方程。熱力學第一定律能量守恒能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體。熱力學系統(tǒng)熱力學系統(tǒng)是指一個封閉的區(qū)域，它與周圍環(huán)境有明確的邊界，并與周圍環(huán)境進行能量交換。熱力學第二定律1不可逆性熱量總是從高溫物體流向低溫物體，不會自發(fā)逆轉。2熵增原理孤立系統(tǒng)中，熵值總是增大或保持不變，無法減少。3熱機效率熱機不可能將全部熱量轉化為功，存在不可逆損失。熱力學狀態(tài)方程壓力描述氣體分子對容器壁的碰撞力。溫度衡量氣體分子平均動能的指標。體積氣體分子占據的空間大小。單元體積控制法劃分網格將分析區(qū)域劃分成許多小的單元格，每個單元格代表一個微小的體積。控制方程在每個單元格上應用熱力學方程，描述該單元格內的熱量、動量和質量守恒。離散化將控制方程轉換為代數(shù)方程，以便進行數(shù)值求解。求解系統(tǒng)利用數(shù)值方法求解代數(shù)方程組，得到每個單元格的溫度、速度和壓力等物理量。單元體積控制方程能量守恒描述單元體積內能量變化率，包括熱傳導、對流和熱源。質量守恒描述單元體積內質量變化率，包括流入、流出和內部生成。動量守恒描述單元體積內動量變化率，包括粘性力、壓力力和外力。離散化方程偏微分方程將連續(xù)的物理量轉化為離散的數(shù)值。網格劃分將計算區(qū)域劃分為網格節(jié)點。差分格式利用泰勒級數(shù)展開近似求解。邊界條件1Dirichlet邊界條件指定邊界上的溫度值。2Neumann邊界條件指定邊界上的熱流密度。3混合邊界條件同時指定邊界上的溫度和熱流密度。溫度場分析1溫度分布分析物體內部和表面的溫度分布2熱流密度計算熱量傳遞方向和速率3熱傳遞方式識別傳導、對流和輻射瞬態(tài)熱傳導溫度變化時間變化的熱傳導過程，溫度隨時間變化而變化。非穩(wěn)態(tài)熱量流動和溫度分布在時間上不斷變化。定常熱傳導溫度不變系統(tǒng)中溫度不隨時間變化，達到穩(wěn)定狀態(tài)。熱流穩(wěn)定熱量以恒定速率通過系統(tǒng)，沒有熱量積累。傅里葉定律熱流與溫度梯度成正比，與材料的熱導率有關。邊界條件1第一類邊界條件指定邊界上的溫度值。2第二類邊界條件指定邊界上的熱流密度。3第三類邊界條件指定邊界上的對流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度。流場分析1動量方程描述流體運動的方程，也稱為牛頓第二定律的流體形式。2湍流模型模擬湍流流動，例如風扇葉片周圍的氣流。3邊界條件定義流場邊界條件，例如流體入口和出口。動量方程速度描述流體運動的速度和方向壓力流體內部各個部分之間相互作用的力重力地球引力對流體的作用力摩擦力流體與固體邊界或流體之間相互摩擦產生的力湍流模型k-ε模型最常用的湍流模型，適用于大多數(shù)工程應用。雷諾平均Navier-Stokes方程基礎的湍流模型，用于求解平均流場。大渦模擬高精度模型，適用于復雜湍流流動，如旋流。邊界條件入口條件設定流體進入計算域的邊界條件，如速度、壓力或溫度。出口條件定義流體離開計算域的邊界條件，通常設定壓力或速度。壁面條件指定流體與固體壁面之間的相互作用，包括無滑移條件、熱傳導條件等。耦合問題1溫度場與流場耦合2結構與溫度場耦合3邊界條件溫度場與流場耦合熱量傳遞流體運動會將熱量從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域，進而影響溫度場分布。密度變化溫度變化會改變流體密度，進而影響流體流動狀態(tài)和流場分布。結構與溫度場耦合1熱應力分析材料在溫度變化下會發(fā)生熱膨脹或收縮，進而產生熱應力，可能導致結構變形甚至失效。2溫度場對結構的影響溫度場會影響材料的力學性能，如強度、剛度和彈性模量，進而影響結構的承載能力。3結構與溫度場耦合分析通過耦合分析可以考慮溫度場對結構的影響，更準確地評估結構在溫度變化下的安全性和可靠性。邊界條件壁面條件模擬流體與固體表面之間的相互作用入口條件定義流體進入模擬區(qū)域時的速度、溫度等參數(shù)出口條件設置流體離開模擬區(qū)域時的壓力或速度等參數(shù)數(shù)值解法1有限差分法將連續(xù)方程離散化為差分方程2有限元法將連續(xù)域劃分為有限個單元3有限體積法基于積分方程，對控制體積進行離散SIMPLE算法壓力校正方程SIMPLE算法通過迭代的方式求解流場方程，并不斷修正壓力場直到滿足收斂條件。它利用壓力校正方程來更新壓力場，從而實現(xiàn)流場和壓力場的耦合。速度校正方程SIMPLE算法使用速度校正方程來更新速度場，使其滿足動量方程的約束條件。速度校正方程是基于動量方程推導出來的，它考慮了壓力場和速度場的相互作用。收斂加速松弛因子通過調整松弛因子，可以加快收斂速度，但同時也要注意穩(wěn)定性。多重網格法通過使用不同網格分辨率，可以有效地加速收斂過程。共軛梯度法對于大型線性方程組，共軛梯度法可以有效地加速收斂。并行計算提高效率將計算任務分解到多個處理器上，顯著提升計算速度和效率。解決復雜問題處理大型復雜問題，例如大規(guī)模數(shù)值模擬和機器學習。資源利用充分利用硬件資源，提高資源利用率，降低計算成本。案例分析1機電設備熱分析評估電機、發(fā)動機等設備在運行過程中的溫度分布，優(yōu)化散熱設計。2電子設備散熱分析芯片、電路板等元件的溫度變化，確保電子設備正常工作和使用壽命。3結構件受熱變形模擬結構件在高溫環(huán)境下的變形情況，優(yōu)化材料和結構設計，保證結構穩(wěn)定性。機電設備熱分析電機熱量分析電機運行過程中的熱量產生和分布，評估電機溫度升高對性能的影響。液壓系統(tǒng)熱量分析液壓系統(tǒng)中的油液流動和熱量傳遞，評估系統(tǒng)溫度升高對液壓元件性能的影響。機械結構熱量分析機械結構受熱后的溫度分布和變形，評估熱量對結構強度和穩(wěn)定性的影響。電子設備散熱熱量產生電子元件在工作時會產生大量的熱量，例如CPU、GPU、電源等。散熱需求電子設備必須有效地將熱量散發(fā)出去，以防止過熱損壞元件，確保設備穩(wěn)定運行。散熱技術常見的散熱技術包括風冷、液冷、熱管等，選擇合適的散熱方式取決于設備的功率和工作環(huán)境。結構件受熱變形熱膨脹材料受熱后體積膨脹，導致結構變形。應力集中不均勻的溫度分布可能導致局部應力集中，影響結構強度。熱應力溫度變化引起的應力可能超過材料的屈服極限，導致結構開裂。后處理與可視化數(shù)據提取從數(shù)值模擬結果中提取關鍵數(shù)據，如溫度、速度、應力等。數(shù)據分析對提取的數(shù)據進行分析，并生成圖表和報告，以理解模擬結果的含義。可視化展示使用專業(yè)的可視化軟件，將模擬結果以圖像、動畫、視頻等形式展示。溫度場分布可視化溫度梯度繪制等溫線使用顏色映射溫度流場分布速度矢量顯示流體在不同位置的速度大小和方向。流線連接流場中速度方向相同的點的曲線。壓力分布展示流場中不同位置的壓力大小，有助于理解流體流動產生的壓力變化。應力應變分布應力材料內部抵