熱分析第6章附加對流/熱流載荷選項和簡單的熱/流單元7-3對流/熱流作為面載荷施加對流和熱流邊界條件可以作為面載荷施加:幾何模型(2-D中的線,3-D中的面),忽略模型是否已經劃分網格(ANSYSSFL,SFA命令)在單元面上(ANSYSSFE命令)在節點上(ANSYS找到所有面都在節點集合中的單元，然后施加對流在單元面上。ANSYSSF命令)在上述實體上只能施加一種熱面載荷。也就是說，不能同時施加熱流和對流邊界條件到單元上。7-4平面效果單元平面效果單元;SURF151(2-D),SURF152(3-D),可以覆蓋在任何2-D熱實體(除了諧波單元PLANE75和PLANE78)或3-D實體單元上。SURF152SURF1517-5為何使用平面效果單元?給出了更多的適應性，定義隨溫度變化換熱系數的溫度，平面溫度，流體溫度，平均溫度溫度微分的絕對值。允許用戶對相同單元面或區域施加多個平面載荷(如熱流和對流)。在介質溫度未知的情況下，提供了一個建立對流效果的方便辦法。單元有附加節點可以與模型中其它單元相連(如熱-流單元FLUID116)。單元可以用于對平面熱生成效果建模因為熱生成速率是作為體載荷輸入的(需要輸入厚度實常數)。7-6為何使用平面效果單元?(續)允許計入簡單的輻射效果，如輻射到空氣中。在選擇的模型區域對平面流量和對流結果進行后處理時很方便。提供了方便的手段(列出響應熱流)得到當附加節點溫度與介質溫度相同時的對流凈溫度損失/獲得。7-7平面效果單元的特殊用途介質溫度可以從附加節點得到(使用D命令)或指定(SFE命令)。用SFE命令指定的換熱系數可以用USERCAL命令激活USERCV用戶子程序來修改。USERCV可以修改帶有或不帶附加節點的平面效果單元上的換熱系數。這允許用戶在程序中使用特殊的換熱系數計算

(參考ANSYSProgrammer’sManual

得到細節)。其它計算換熱系數和介質溫度的選項當FLUID116單元與第三個節點相連的時候也可以使用。7-8創建帶有附加節點的平面單元的步驟假設熱/流單元(FLUID116)不與平面效果單元一起使用，下面的步驟是創建帶有附加節點的平面單元的過程

:

定義平面效果單元類型并帶有“附加節點”選項。象通常情況下劃分2-D或3-D實體區域。生成附加節點。選擇要生成平面效果單元的面上的節點并選擇與之相連的實體單元。將缺省屬性(單元類型，材料特性，實常數序列)設置為要生成的平面效果單元。

(生成使用FLUID116單元的平面效果單元的過程見7-31)。7-9創建帶有附加節點的平面單元的步驟(續)然后，用戶將選擇或輸入節點號碼確認附加節點。

12MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements

7-10創建不帶附加節點的平面單元的步驟在大多數情況下，平面效果單元使用帶有附加節點的選項。但是，也可以創建不帶附加節點的平面效果單元(如只有熱流載荷)。使用下列步驟操作:定義不帶“附加節點”的平面效果單元。象通常情況下劃分2-D或3-D實體區域。

選擇要生成平面效果單元的面上的節點并選擇與之相連的實體單元。將缺省屬性(單元類型，材料特性，實常數序列)設置為要生成的平面效果單元。7-11創建不帶附加節點的平面單元的步驟(續)12注:不帶附加節點的平面效果單元也可以使用劃分線的操作得到(LMESH)。在使用這種方法時，平面效果單元的坐標系將由線的方向確定而非覆蓋的實體單元坐標系。MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements

7-12平面效果單元的圖形顯示

在缺省情況下，如果繪制單元圖，ANSYS將平面效果單元象面一樣顯示，附加節點以點顯示。面附加節點7-13平面效果單元的圖形顯示單元圖的形式可以改變為下圖的樣子。這樣可以清晰地識別附加節點。1237-14對流桿單元對流桿單元(LINK34)可以用于多種情況:在熱網格模型中作為對流連接在熱/流單元和2-D和3-D熱實體單元間作為對流連接(通常平面效果單元較容易實現)在兩個或多個部分定義接觸熱阻時作為一種方法。由于對流單元不需要長度，節點I和

J可以是重合的(不象對流連接單元LINK32和LINK33)。LINK347-15對流桿單元(續) 節點I和J之間的熱流速率可以定義為:

見ANSYS單元手冊4-34。7-16接觸熱阻兩個平面(不同溫度)在接觸時接觸處溫度會有降低。降低是由兩個平面不完全接觸引起的。不完全接觸，也叫接觸熱阻，可以有下面許多原因造成影響:

平面平整度平面光潔度氧化氣泡接觸壓力平面溫度潤滑劑的使用DTTx7-17接觸熱阻(續)通常當需要接觸熱阻效果時，要使用對流單元連接接觸面。本方法需要每個平面上的節點是對齊的(通常重合)。對流單元比傳導桿單元好因為用對流桿單元定義的熱阻不是單元長度的函數(convenientforflushsurfaceswithcoincidentnodes)。接觸熱阻的兩種方法在下面敘述。ConvectionelementsConvectionelements7-18使用對流桿單元進行接觸熱阻建模

LINK34對流桿單元可以建立接觸熱阻。熱阻由LINK34的實常數來控制。熱阻定義為:

如果E=F=1(n,CC=0),hf*A是熱傳導，因此是熱阻的倒數。7-19使用對流桿單元進行接觸熱阻建模(續)下面的步驟用于在相鄰部分生成LINK34單元的接觸熱阻:劃分各部分使得網格對齊(接觸面上網格重合)激活適當的單元類型，材料特性和實常數選擇接觸面上的節點序列使用EINTF命令自動生成單元:

(Preprocessor>Modeling>Create>

Elements>Auto-numbered>

AtCoincidentNodes)接觸面上的對流桿單元(注:平面邊緣的單元實參不同)Separationofsurfacesexaggeratedforclarity7-20使用對流桿單元進行接觸熱阻建模

2-DSURF151和3-DSURF152熱平面效果單元可以用于模擬接觸熱阻。 當使用平面效果單元時，使用兩個具有共同附加節點的平面效果單元如圖。附加節點的位置不重要，但它們同屬于平面效果單元。定義Hf數值為LINK34單元的兩倍因為有實際的兩個接觸熱阻存在。 這與模擬平面荷小管路的流體間的對流過程類似(在下一部分闡述)。不同之處在于附加節點也用于定義熱-流單元。Separationofsurfacesexaggeratedforclarity.共享的附加節點7-211-D熱/流單元-FLUID116本單元對一維熱和流體建模，但它可以用于2-D或3-D實體單元。缺省情況下，單元每個節點有兩個自由度，壓力和溫度，可以用于穩態和瞬態分析。在絕大多數情況下,FLUID116用于在2-D和3-D模型中包括熱質量傳遞和對流效果而不使用復雜的計算流體動力學模型。FLUID1167-221-D熱/流單元-FLUID116(續)溫度荷流分布為1-D(沿I-J軸)。用戶可以指定流速(使用SFE命令的HFLUX標號)，避免非線性流動計算或提供流體傳導

(或給程序計算流體傳導提供足夠的數據)。程序就可以通過流體網格方程計算壓力和流分布基于Bernoulli’s方程。熱效果包括:長度方向的傳導熱質量傳遞內部熱生成(用戶指定或計算粘性熱流)通過可選節點(K,L)對流或使用

FLUID116節點作為平面效果單元的附加節點。7-231-D熱/流單元-FLUID116(續)流動效果可以包括管路摩擦損失和損失系數。頭，泵荷其它慣性效果可以使用標準的ANSYS命令如ACEL,OMEGA,等計入。7-241-D熱/流單元-FLUID116(續)一個單元的平衡方程為:7-251-D熱/流單元-FLUID116(續)使用FLUID116時應考慮下列問題:當包含熱質量傳遞效果時，熱傳導矩陣是非對稱的，因此要需要更多的求解空間。在Bernoulli’s方程中,壓力降(Pi-Pj)與流

(w)不是線性關系，因此如果計算流速就需要非線性流求解。流計算可以用給出流速

(使用命令)跳過并使用關鍵選項為只有溫度

DOF。在瞬態分析中，流速變化是瞬時的。流體壓縮效果可以通過理想氣體假設包括進來。由于質量傳遞引起的能量變化在單元的輸出節點集中(流體流出節點).7-26FLUID116單元選項描述KEYOPT(1)自由度0,PRESandTEMP1,TEMP2,PRES

KEYOPT(2)0,2節點無對流效果1,2節點和對流信息傳遞到SURF151/152單元2,4節點和對流面通過實常數提供7-27FLUID116單元選項描述(續)KEYOPT(5)在何時溫度有hf=f(T)0,平均流體溫度(Ti+Tj)/21,平均墻溫度(Tk+Tl)/22,平均單元溫度(Ti+Tj+Tk+Tl)/43,溫度微分=平均流體墻KEYOPT(4)本選項決定如何定義換熱系數(見7-29)7-28FLUID116單元選項描述(續)KEYOPTs(6),(7),(8)控制如何計算流體傳導7-29對流熱傳遞到/從FLUID116定義對流面的方法:使用可選節點(K,L),用戶在節點(K,L)實參指定對流面或由程序基于實參計算

-hydraulicdiameter用SURF151/152單元處理對流將節點

I或J作為附加節點7-30換熱系數選項-FLUID116如果使用帶有可選節點(K,L)的FLUID116，這些選項可以用來指定hf:hf由MP命令指定hf由與Nusselt(hf*D/Kxx),Reynolds和Prandtl數有關的方程定義使用TB命令用表格輸入:hf為溫度和平均速度的函數hf為溫度和Reynold’s數的函數Nusselt數為溫度和Reynold’s數的函數使用用戶子程序USER116HF(參考ANSYSProgrammer’sManual)7-31換熱系數選項-FLUID116(續)如果使用FLUID116為SURF151/152“附加節點”,可以使用下列選項定義hf:hf通過SFE命令指定給SURF151/152單元hf由用戶子程序USERCV激活USERCAL命令給出hf使用用戶子程序USERSURF116,注意使用本程序將覆蓋所有由SFE或USERCV定義的數值7-32與平面效果單元的接口已經有宏用來對使用FLUID116結點作為SURF151和152單元附加結點進行自動建模。該宏迅速地以最近的FLUID116結點作為“附加結點”生成平面效果單元。LFSURF,Sline,Tline使用平面效果單元劃分線組元“Sline”并使用已經在線組元“Tline”劃分好FLUID116的最近結點作為附加結點。AFSURF,Sarea,Tline使用平面效果單元劃分面組元“Sarea”并使用已經在線組元“Tline”劃分好FLUID116的最近結點作為附加結點。宏中的組元名稱在使用命令時必須使用單括號。注: 當使用這些宏時，平面效果單元坐標系根據相應線方向或面的法線方向確定，不是象ESURF由覆蓋的實體單元法線確定。7-33與平面效果單元的接口(續)本宏可以在GUI中使用，如下:12345在選擇框中選擇面/線。7-34FLUID116單位在絕大多數熱分析中,密度單位是不重要的。但是，密度和比熱的乘積的單位是重要的。當模型包括FLUID116單元時,密度和流速的單位是重要的并且要基于質量。這些單位的使用保證了與同數據庫的結構分析的相容性。單位序列例子:傳導率: BTU/(hr-ft-F)密度: lbf-hr2/ft4比熱: BTU-ft/(lbf-hr2-F)粘性: lbf-hr/ft2流速: lbf-hr/ft7-35旋轉部分的特殊功能FLUID116和SURF151/152單元經常在建立旋轉設備的熱/流效果模型時使用，如汽輪機。在這些模型中可以有特殊的功能:使用“絕熱”墻溫度作為介質溫度(見ANSYSTheoryManual14.152.2)用戶定義流體的角速度(FLUID116實常數)和轉速(SURF151/152實常數),可以使用表格輸入(位置,時間的函數)滑動因子(FLUID116實常數),可以表格輸入恢復因子(SURF151/152實常數)旋轉軸(SURF151/152單元KEYOPT(3))7-36有質量傳遞的熱分析例子氣體飽和溫度為220°F在小的銅管熱交換器中凝聚。銅管直徑為5/8”，壁厚為0.083”。70°F水以10ft/sec的速度進入管中。ANSYS輸入文件見附錄B7-37有質量傳遞的熱分析例子（續）目標:確定單管的第一英寸中水的溫升和管外表面的溫度分布假設: 軸對稱模型和邊界條件，穩態邊界給出:銅; K=60BTU/(hr-ft-F)

水; K=0.347BTU/(hr-ft-F) C=0.988BTU/(lbm-F) DENS=1.5E-7lbf-hr2/ft4 Ho=1800BTU/(hr-ft2-F) Hi=2500BTU/(hr-ft2-F)在熱質量交換中必須(不是瞬態效果)7-38有質量傳遞的熱分析例子（續）每步的重要提示:設置GUI過濾為Thermal使用參數定義尺寸，網格尺寸，材料特性等定義三種單元類型-FLUID116,SURF151,PLANE55對FLUID116單元設置下列關鍵選項:keyoption(1)=1,只有溫度DOF,用戶提供質量流動因此單元是線性的keyoption(2)=1,對流信息傳遞給相連的SURF151(Note:aninputfilethatbuildsthemodelandappliestheboundaryconditionsisgiveninAppendixB):7-39有質量傳遞的熱分析例子（續）對平面效果單元和實體單元設置下列關鍵選項:SURF151-keyopt(3)=1,軸對稱 keyopt(4)=1,無中間結點 keyopt(5)=1,有附加結點FLUID116 keyopt(8)=2,計算Hf在(Ts+Tb)/2PLANE55-keyopt(3)=1,軸對稱

定義參數GC=32.2*(3600**2),轉換:所有長度為英寸密度=密度/GC比熱=比熱*GC7-40有質量傳遞的熱分析例子（續）用定義數值參數方法將輸入速率轉換:流=QAV=62.4*(pi*Ri**2)*10*3600!Inlbm/hr質量流=流/GC定義FLUID116單元的實常數:hydraulicdiameter(不需要)流面(用做熱傳導面)通道數目(一個)定義銅和水的材料特性。7-41有質量傳遞的熱分析例子（續）在管中心之下定義兩條線共用一個關鍵點。這些線使用FLUID116單元劃分。第一條線為1’第二條線有一個單元(0.083/12)’。線方向是重要的，因為單元坐標系有線的方向確定;正的質量流沿線方向。123FlowDirection注:由于熱質量傳遞在FLUID116單元的結點流出,輸出的線要精確度量管第一英寸的溫度降。7-42有質量傳遞的熱分析例子（續）定義管橫截面為矩形面1’x(0.083/12)’。確定其從管中心線偏移(0.0625/12)’。

在使用流體單元的線和使用實體的管面上指定屬性。設置全局單元大小控制(ESIZE)等于管壁厚(0.083/12)’。用流體單元劃分線。用實體單元劃分矩形面。FlowDirection7-43有質量傳遞的熱分析例子（續）生成下列組元:WATERLIN-用FLUID116單元劃分的線TUBELIN-管內表面的線設置缺省單元類型為SURF151并使用下面的宏命令生成平面效果單元，以最近的結點為第三個結點:LFSURF,’TUBELIN’,’WATERLIN’在求解器中施加下列邊界條件:流體輸入關鍵點上水溫(70°F)管外表面線上的對流(Ho和Tb)平面單元上的對流(Hi，使用SFE)指定FLUID116單元熱質量交換，選擇并輸入:SFE,ALL,,HFLUX,,MASSFLOW7-44有質量傳遞的熱分析例子（續）繪制整體模型并在每個端點放大,使用四邊形網格，管厚度方向有一個單元:PLANE55sSURF151sFLUID116s注:一個單元通常不足以確定厚度方向的溫度分布。7-45有質量傳遞的熱分析例子（續）求解結束后，可以得到下面的結果:在管的第一英寸水溫度從70升高到77.55°F。管外表面溫度對長度的曲線:7-46有質量傳遞的熱分析例子（續）所有有限元解要檢查是否合理。手工檢查見下：第7章輻射熱傳遞8-48章節概述輻射特性輻射理論ANSYS求解方法ANSYS輻射建模方法平面效果單元連接單元輻射矩陣功能使用輻射矩陣的例子-熱沉的熱分析隱式求解方法非隱式求解方法8-49

基本特性

輻射熱傳遞是通過電磁波傳遞熱能的方法。熱輻射的電磁波波長為0.1到100mm。這包括超微波，所有可以用肉眼看到的波長，和長波。不象其他熱傳遞方式需要介質，輻射在真空中(如外層空間)效率最高。對于半透明體(如玻璃),輻射是三維實體現象因為輻射從體中發散出。對于不透明體，輻射主要是平面現象因為幾乎所有內部輻射都被實體吸收了。8-50基本特性(續)ANSYS可以模擬不透明體間的輻射，所以我們將討論范圍限制在平面輻射現象上。兩平面間的輻射熱傳遞與它們平面絕對溫度差的四次方成正比:

因此，輻射分析是非線性的，需要迭代求解。8-51平面輻射和吸收平面輻射熱到其他平面并從其他平面吸收熱。當我們做輻射分析時，我們考慮的是輻射和吸收之間的凈效果。平面對不同波長都會輻射和吸收，而且隨方向而改變。這些特性也隨溫度變化。WavelengthDirectionDistributionEmissivePower8-52散射或反射平面可以理想化為散射或反射裝置。散射裝置會將輻射均勻反射到所有方向，而不管輻射源的方位:反射平面會將輻射以近乎鏡象的方式反射:DiffuseSurfaceSpectralSurfaceqq8-53散射或反射(續)通常情況下，平面可以被理想化為散射或反射面。沒有實際的平面是真正的散射或反射面。比較灰暗的平面接近散射面，高度拋光的平面接近反射面。為了簡化計算，平面的輻射特性可以在所有的波長和方向平均。只有這些平均特性在后面的討論中使用。因此，在散射和反射平面之間沒有差別。8-54吸收和反射

對于承受一定輻射的不透明介質,G,一部分輻射能會從平面反射，一部分會被介質吸收:G

輻射Gref

反射的能量Gabs

吸收的能量平面總吸收率,a,與之吸收偶然輻射的趨勢有關。平面總反射率,r,與之反射偶然輻射的趨勢有關。8-55發射率和發射能

同樣，平面總發射率,e,是平面在所有方向使用所有波長發射熱的能力。這是一個無量綱數值。平面在所有方向用所有波長發射的總能量(熱流單位)由施蒂芬-波斯曼定律確定:注:絕對溫度用Rankine溫度表示(°R)，它比華氏溫度°F偏移460°。在

SI單位制中，絕對溫度以Kelvin(°K)溫度表示,它比攝氏溫度°C偏移273°。偏移溫度可以使用TOFFST命令指定。8-56輻射率

總輻射率,J,是熱流單位，表示平面發射和反射的能量總和(如,離開平面的總能量):由于ANSYS不直接計算平面反射率，輻射率和發射率假設為相等(E=J)。G

IncidentradiationGref

Energy

reflectedGe

Emissive

PowerJRadiosity8-57黑體是理想化的平面，用來與實際平面進行比較。這里列出了黑體的特性:黑體吸收所有的偶然輻射(沒有反射),不管波長和方向。黑體為純粹的發射器。對于給定的波長和溫度，沒有平面比黑體發射更多的能量。黑體是純粹的散射發射器;輻射在所有方向均一致。因此，對于黑體:aB=eB=1.黑體8-58實際平面叫做灰體因為他們不象黑體。灰體在溫度T的總發射率如下:因此，對于灰體,(e<1)

總是成立的。灰體8-59ANSYS和輻射ANSYS中關于輻射的重要假設和方法:ANSYS認為輻射是平面現象，因此適合用不透明平面建模。ANSYS不直接計入平面反射率。考慮到效率，假設平面吸收率和發射率相等(a=e)。因此，只有發射率特性需要在ANSYS輻射分析中定義。ANSYS不自動計入發射率的方向特性，也不允許發射率定義隨波長變化。發射率可以在某些單元中定義為溫度的函數。所有分隔輻射面的介質在計算輻射能量交換時都看作是非參與的(不吸收也不發射能量)。8-60多個平面到此為止我們只討論了單獨的輻射平面。但是，在研究實際問題時，我們通常要考慮多個輻射平面的相互作用。要考慮的平面越多，問題越復雜:8-61形狀因子在我們可以計算平面間輻射熱能之前，我們需要介紹形狀因子的概念(包括視覺因子，形態因子，結構因子)。形狀因子由相互輻射的兩個平面(i和j)定義。它的定義是由于從一個平面(i)發射的輻射能偶然施加到另一個平面(j)上而得到:8-62形狀因子(續)兩個平面的形狀因子是面積，方向和距離的函數。8-63形狀因子(續)對于有n

個平面的系統，形狀因子矩陣由n2

個元素組成:從任何平面發射的能量必須守恒:而且相互作用需要:8-64兩個平面間的輻射熱傳遞要計算從一個平面(i)到另一個平面(j)的熱傳遞，我們使用相互作用法則和施蒂芬-波斯曼法則得到:方程可以寫為如下形式:由于K’是T3的函數,方程不能直接求解，必須使用迭代方法。8-65ANSYS求解方法ANSYS使用一個簡單的過程求解多個平面輻射問題，矩陣形式如下:生成多平面問題系統的矩陣需要比前面列出的簡單因子近似方法復雜的過程。輻射是高度非線性現象，需要使用牛頓-拉夫森迭代求解。見第4章中關于非線性分析的詳細內容。8-66在ANSYS進行輻射建模ANSYS中有三種單元類型用于建立輻射模型:平面效果單元 SURF151/SURF152單元;用于點和面或面和空氣間的輻射效果。(注:SURF19和SURF22也可以使用)輻射連接單元LINK31;用于點和點之間的輻射輻射矩陣(超單元)用于通用的輻射問題涉及兩個或多個平面。8-67輻射建模

使用平面效果單元建立輻射模型平面效果單元用于建立面和點或面和空氣間的輻射模型形狀因子必須已知，但通常未知。SURF151用于2D平面，SURF152用于3D平面。8-68輻射建模

使用平面效果單元建立輻射模型平面效果單元2D邊界條件,SURF151將SURF151單元覆蓋在模型有輻射的面上。遠離基礎SURF151單元指定附加結點。(注:附加結點需要屬于另外輻射面的單元或是單獨的，帶有施加的溫度約束。)材料特性:

實常數: 8-69輻射建模

使用平面效果單元建立輻射模型SURF151單元選項 1.設置輻射的附加結點

包括

(K5)。 2.設置形狀因子計算(K9)。8-70輻射建模

使用平面效果單元建立輻射模型平面效果單元3D邊界條件,SURF152將SURF152單元覆蓋在模型有輻射的面上。遠離基礎SURF152單元指定附加結點。(注:附加結點需要屬于另外輻射面的單元或是單獨的，帶有施加的溫度約束。)材料特性:實常數: 8-71輻射建模

使用平面效果單元建立輻射模型SURF152單元選項 1.包含輻射附加結點(K5)。 2.如果附加結點為點平面時需要計算形狀因子。如果形狀因子已知，輸入實常數(K9)。如果需要,ANSYS在每個積分點上計算形狀因子cos(a)。8-72輻射建模

使用連接單元建立輻射模型兩個結點間的輻射LINK31單元可以用于簡單問題如兩點或多點間的輻射。如果形狀因子已知，使用LINK31單元8-73輻射建模

使用連接單元建立輻射模型輻射連接單元,LINK31遠離結點的位置可選或屬于其他單元。材料屬性:實常數: 隨溫度變化的發射率可以在本單元中指定。8-74輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型輻射矩陣單元使用在形狀因子未知的情況下。在不同定位的平面上生成形狀因子,Fij。用于平面間的相互輻射。可以用于封閉或開放系統。本方法需要非常大的計算工作量，可能需要相對大量的CPU時間和存儲空間(特別是使用HIDDEN方法時)。不能使用隨溫度變化的發射率。8-75輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

輻射矩陣單元補充輻射能量交換方程:8-76輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

輻射矩陣單元輻射矩陣單元計算矩陣,[Kts],代表兩個或多個平面間的輻射效果。它包括計算多個平面的形狀因子:然后矩陣作為超單元(MATRIX50)在熱分析中計算溫度解。求解過程中，方程線性化(見8-17,18)用線性方程求解器迭代求解:[K’]是{T}的函數而[Kts]不是。因此，輻射矩陣不需要在每次迭代中計算。但是，這說明隨溫度變化的發射率不能包括在內。8-77輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

在使用輻射矩陣單元建立輻射模型有三個主要步驟。他們是:1.定義輻射面。2.生成輻射矩陣。3.在熱分析中使用輻射矩陣。8-78輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟1:定義輻射面1.建立在熱分析中使用的模型。2.在所有輻射平面上，覆蓋網格:LINK32單元在2D輻射面上或,SHELL57單元在3D輻射面上重要提示:

覆蓋的LINK32或SHELL57網格要與下面的實體單元在模型和階次上相適應。

如果輻射面上有不同的發射率，保證在相應的平面上指定不同的材料特性。8-79輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

重要提示(續):

覆蓋單元必須有正確的方向。

對于LINK32單元,單元的Y-軸正方向必須指向觀察面(輻射方向)。對于SHELL57單元,單元的Z-軸正方向必須指向觀察面(輻射方向)。

單元定位取決于生成的方法。例如，如果線用LINK32劃分，方向與線的方向相同。

打開單元坐標系標號選項繪圖來查看單元定位是否正確。8-80輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟1:定義輻射面(續)3. 定義結點(空間結點)吸收所有未被其他平面吸收的輻射能量。空間結點的位置可以選擇。空間結點在開放系統中需要。對于封閉系統，不推薦使用空間結點。空間結點可以屬于一個單元或是單獨的，并帶有溫度約束。8-81輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟2:生成輻射矩陣進入輻射矩陣單元:MainMenu>>RadiationMatrix選擇組成輻射面的所有結點和單元包括空間結點

(如果定義的話)。

8-82輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟2:生成輻射矩陣(續) 1.定義輻射面的發射率。缺省數值為。8-83輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型2. 指定施蒂芬-波斯曼常數，與熱分析中的單位統一(缺省為0.119e-10BTU/hr-in2-°R4)。3. 指定分析為2D,3D軸對稱或3D(缺省為3D)。4. 指定空間結點用于沒有被其他面吸收的輻射能量。8-84輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

5. 指定觀察過程使用HIDDEN或NON-HIDDEN方法(缺省為HIDDEN)。HIDDEN方法用于任何輻射面阻攔在其他平面的觀察線上時。NON-HIDDEN方法用于所有平面都是可以相互觀察的情況下。

6. 設置HIDDEN方法射線數目。增加射線數目將增加形狀因子的計算精度(缺省為20)。

8-85輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

7. 打開打印鍵(如果需要的話)檢查形狀參數輸出。8. 將輻射矩陣寫到filename.sub

中在熱分析過程中用做MATRIX50超單元。8-86輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

9. 重新選擇熱模型中其他所有單元和結點。10.輻射矩陣可以作為超單元用在熱分析中了。8-87輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟3:使用輻射矩陣1.重新進入前處理器。2.定義新的單元類型MATRIX50。改變關鍵選項K1為輻射子結構。28-88輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟3:使用輻射矩陣(續)3. 劃分網格時選擇超單元作為當前單元類型。(定義屬性)。4. 定義超單元，指定文件名為寫出的輻射矩陣單元。5. 刪除或不選輻射面上的覆蓋單元。6. 定義與絕對溫度的偏移量。7.進入求解器并在空間結點上定義熱邊界條件，開始計算。8-89輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析

問題描述:情況1-鋁合金熱沉底座(1/2對稱模型)承受熱流載荷。葉片通過與空氣的對流冷卻。情況2-在情況1上添加輻射效果，使用hidden方法生成的輻射矩陣。情況3-在情況1上添加輻射效果，使用non-hidden方法生成的輻射矩陣。ANSYS情況2和情況3的輸入文件見附錄B8-90輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析

模型尺寸:8-91輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析

指南:熱沉材料為鋁合金，KXX=8.5BTU/hr-in-°F。使用BIN單位進行分析。所有葉片的對流面其h為常數。使用帶有附加結點的SURF151單元施加對流。熱沉端面是絕熱的。Note:Notallmenusand步驟saredetailedinthefollowingpages.AdiabaticAdiabaticHeatFluxonBaseSurface8-92輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析熱載荷:熱流入底座=17BTU/hr-in2。熱沉頂端空氣溫度為90°F。葉片面上的換熱系數為0.01BTU/hr-in2-°F。沒有載荷的平面是絕熱的。附加假設:這是開放系統，因此沒有被葉片平面吸收的輻射將進入空間結點。輻射只在葉片平面存在(非絕熱平面)。8-93基本過程

情況1-熱沉熱分析(無輻射)。定義數值參數如下:

base=.150 hgt=1.0 ttop=0.05 tbot=.150 fspc=.4手工定義8個關鍵點和3個面。鏡象生成需要的模型。使用quadPLANE55單元劃分網格。使用帶有附加結點的SURF151單元劃分葉片外表面。施加熱流，對流和溫度載荷。運行初始運算，不帶輻射效果。Note:Useofscalarparametersisnotrequired.Itisdemonstratedonlyasoneofmanypossiblemethodsofgeneratinggeometry輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-94定義單元類型PLANE55和SURF151,設置關鍵選項。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-95輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析

定義材料特性;只需要KXX。8-96定義參數用于生成關鍵點。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-97畫關鍵點。8個關鍵點可以用于生成3個面。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-98用關鍵點生成的面。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-99第一次鏡象形成的圖形。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-100多次鏡象形成的最終模型。帶有顏色和號碼的繪制如下。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-101單元圖:PLANE55quad單元。注:使用全局單元大小為0.045英寸。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-102平面效果單元劃分的線，要施加對流載荷。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-103將線上的結點分離以生成平面效果單元。使用*get命令得到模型中最大結點號，指定名字為“nn”。生成“附加結點”;指定結點號“nn+1”。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-104指定缺省屬性為類型2,SURF151并生成帶有附加結點的單元。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-105繪制帶有附加結點的SURF151單元。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-106繪制施加的載荷和邊界條件:對流和附加結點上的溫度。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-107繪制施加的載荷和邊界條件:熱流。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-108求解當前步。本求解只包括熱流和對流載荷，輻射在后面施加。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-109檢查結果。列出響應解。與輸入的熱比較。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-110與輸入的熱比較……17BTU/hr-in2*2.2in2=37.4BTU/hr輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-111繪制熱沉的溫度場分布。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-112基本過程

情況2-包括輻射效果;輻射矩陣-Hidden方法。進入前處理器。定義新單元類型,LINK32。在輻射面上分離結點。生成LINK32單元，檢查方向。定義空間結點。使用輻射矩陣單元生成輻射矩陣，radheat.sub.重新進入前處理器。定義新單元類型,MATRIX50。讀入矩陣文件radheat.sub生成輻射單元。在空間結點施加溫度。重新計算。注:不是所有菜單和步驟在后面詳細說明。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-113重新進入前處理器。定義單元類型3,LINK32。劃分網格之前，設置屬性為TYPE=3。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-114將輻射面上的結點分離以生成覆蓋的LINK32單元。生成LINK32單元使用ESURF命令。生成空間結點，指定結點號為“nn+2”。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析注:我們將平面效果單元的附加結點用做空間結點。使用兩個結點我們可以分離各效果并更容易的分析對流和輻射的分布。8-115 檢查覆蓋網格的方向…打開單元坐標系繪制檢查單元法線方向。單元法線方向很重要因為它定義了輻射的方向(觀察方向)。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-116打開單元坐標系符號繪制LINK32單元。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-117開始輻射矩陣定義。首先,定義發射率..輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-118定義“其他設置”施蒂芬-波斯曼常數;與分析的單位一致。幾何模型類型;本題為2D。指定空間結點的號碼。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-119寫出輻射矩陣。選擇Hidden方法求解本問題。指定samplingzones數目(缺省為20)。指定生成的輻射矩陣文件名。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-120重新進入前處理器。定義超單元,MATRIX50并設置關鍵選項。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-121設置單元屬性為TYPE=4讀入超單元矩陣文件生成輻射單元。指定使用的文件名。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-122求解前刪除或不選LINK32單元。進入求解器。設置分析選項。指定TOFFST合適數值,本例為460。在空間結點上施加溫度約束90°F。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-123重新進入求解器。現在包括了輻射效果，分析為非線性的。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-124進入后處理器查看結果。注意輻射的貢獻和對流的貢獻:結點813(nn+1)SURF151單元的“附加結點”有對流載荷。結點814(nn+2)空間結點用于輻射求解。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-125包含輻射的熱沉溫度場分布。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-126基本步驟

情況3-包括輻射效果-Non-Hidden方法。讀入數據庫heatsink.db。(注:使用HIDDEN方法生成輻射矩陣的相同網格可以在Non-Hidden方法中使用。)選擇組成“bay1”的線和線上的結點。同時選擇空間結點。進入輻射矩陣單元并指定發射率，施蒂芬-波斯曼常數，幾何形狀和空間結點，與Hidden方法中所做的一樣。選擇NON-HIDDEN方法進行分析。寫出輻射矩陣文件bay1。在所有六個bay和葉片頂部平面重復，生成7個輻射矩陣文件。重新求解。注:不是所有菜單和步驟在后面都詳細敘述。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-127本圖確認了包含在輻射矩陣中的平面，使用NON-HIDDEN方法。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析葉片頂端平面(在圖中圈出)要作為單獨的輻射矩陣。8-128繪制bay1中選擇的圖素。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-129選擇好bay1的線后,選擇相連的結點和單元，包括空間結點。注:這個選擇過程在使用NON-HIDDEN方法時必須完成。non-hidden方法可以用于本分析因為每個bay的平面只能相互見到。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-130檢查輻射矩陣的設置，指定空間結點號碼。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-131指定輻射矩陣文件名和NON-HIDDEN方法..重復這些步驟知道所有7個文件已經生成。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-132定義好新的單元類型,MATRIX50,生成輻射單元，使用7個在前面步驟中生成的文件。重新求解，并比較結果。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-133熱沉中的溫度場分布,NON-HIDDEN方法。與HIDDEN求解的結果比較，他們是不同的:輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-134響應求解列表，使用NON-HIDDEN求解。與前面HIDDEN方法比較并檢查它們沒有不同:輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析第8章相變分析9-136本章簡介相變術語理論材料特性瞬態分析指南例題-飛輪的鑄造使用熱焓材料特性通用后處理時間歷程后處理9-137

相-物質的一種確定原子結構形態，均勻同性。有三種基本的相:

相變-系統能量的變化(增加或減少)可能導致物質的原子結構發生改變。

通常的相變過程稱為固結，溶化，汽化或凝固。術語GasLiquidSolid9-138ANSYS應用性ANSYS涉及相變的重要有限元應用有:液體的凝固或固結固體的溶化液-汽

相變問題需要的熱傳遞分析后進行流體分析。許多計算流體動力學軟件可以處理液-汽流動和相變。相變分析必須使用瞬態熱分析求解。本章主要講解典型的相變問題：金屬的凝固過程。9-139潛在熱量當物質相變時，溫度保持不變。例如，冰在0°C準備溶解。 熱量輸入冰中，冰轉化為水。冰完全轉化為水時，溫度還是0°C。當溫度不變時，熱量到哪里去了?熱量在物質粒子狀態改變過程中被吸收了。在物質相變種需要的熱量稱為溶化的潛在熱量

。 9-140熱焓相變分析必須考慮材料的潛在熱量。熱焓材料特性(ENTH)用來計入潛在熱量。熱焓由密度和比熱得出，在相變分析中應作為材料特性輸入。模型中其它材料應輸入密度和比熱數值。只要定義材料的比熱和密度或熱焓；而非全部。熱焓數值隨溫度變化。因此，熱分析是非線性的。9-141熱焓(續)在相變分析中，熱焓數值必須作為材料特性輸入。經典(熱動力學)熱焓數值單位是能量單位，為kJ或BTU。單位熱焓單位為能量/質量，為kJ/kg或BTU/lbm。ANSYS熱焓材料特性單位為能量/體積，為KJ/m3或orBTU/ft3.如果熱量/體積熱焓數值在某些材料中不能使用時，它可以用密度、比熱和物質潛在熱量得出。9-142相變在相變分析中，固體和液體并存的情況下，溫度會有很小的變動。物質完全呈現液態的溫度(液體溫度)為Tl。物質完全呈現固態的溫度(固體溫度)為Ts.通過這樣兩個溫度，潛在熱量效果包括進有限單元生成過程中。9-143潛在熱量和比熱的關系潛在熱量TlTsH“Mushyzone”Ts=固體溫度Tl=液體溫度注:本圖中,Tl-Ts很小。對于純材料，Tl-Ts

應該為0。相變時熱焓變化相對溫度變化而言十分迅速。T9-144控制方程不隨相變改變此處計入相變系統產生相變時，其控制方程如下:9-145相變分析的求解進行相變分析時，使用:打開時間