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,還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。

· 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

· 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

熱分析遵循熱力學(xué)第一定律,即能量守恒定律:

l 對于一個(gè)封閉的系統(tǒng)(沒有質(zhì)量的流入或流出〕

式中: Q —— 熱量;

W —— 作功;

——系統(tǒng)內(nèi)能;

——系統(tǒng)動能;

——系統(tǒng)勢能;

l 對于大多數(shù)工程傳熱問題:

;

l 通常考慮沒有做功:

, 則:

;

l 對于穩(wěn)態(tài)熱分析:

,即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量;

l 對于瞬態(tài)熱分析:

,即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。

1、熱傳導(dǎo)

  熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循付里葉定律:

,式中

為熱流密度(W/m2),

為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m-℃),“-”表示熱量流向溫度降低的方向。

2、熱對流

  熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間,由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對流可以分為兩類:自然對流和強(qiáng)制對流。熱對流用牛頓冷卻方程來描述:

為固體表面的溫度,

為周圍流體的溫度。

3、熱輻射

熱輻射指物體發(fā)射電磁能,并被其它物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高,單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對流都需要有傳熱介質(zhì),而熱輻射無須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上,在真空中的熱輻射效率最高。

在工程中通?？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射,系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬—波爾茲曼方程來計(jì)算:

,式中

為熱流率,

為輻射率(黑度),

為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù),

為輻射面1的絕對溫度,

  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)

式中:

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);

為節(jié)點(diǎn)溫度向量;

為節(jié)點(diǎn)熱流率向量,包含熱生成;

  ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件,生成

、

以及

。

  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):

式中:

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);

為比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加;

為節(jié)點(diǎn)溫度向量;

為溫度對時(shí)間的導(dǎo)數(shù);

為節(jié)點(diǎn)熱流率向量,包含熱生成。

  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

非線性熱分析的熱平衡矩陣方程為:

ANSYS熱分析的邊界條件或初始條件可分為七種:溫度、熱流率、熱流密度、對流、輻射、絕熱、生熱。

· 僅用于評估由于網(wǎng)格密度不夠帶來的誤差;

· 僅適用于SOLID或SHELL的熱單元(只有溫度一個(gè)自由度);

· 基于單元邊界的熱流密度的不連續(xù);

· 僅對一種材料、線性、穩(wěn)態(tài)熱分析有效;

· 使用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分可以對誤差進(jìn)行控制。

(綜合自網(wǎng)絡(luò))