Cosmos培訓(xùn)教程:熱分析 (Thermal Analysis)

2013-06-14 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

有三種傳熱機(jī)制。這些機(jī)制分別是:

傳導(dǎo)

對(duì)流

輻射

熱分析計(jì)算物體中由于以上部分或全部機(jī)制所引起的溫度分布。在所有三種機(jī)制中,熱能從具有較高溫度的介質(zhì)流向具有較低溫度的介質(zhì)。傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱需要有中間介質(zhì),而輻射傳熱則不需要。

熱流量和熱量源可以由恒溫器控制。

傳導(dǎo)是熱能通過(guò)物質(zhì)的原子或分子間的相互作用從一點(diǎn)傳送至另一點(diǎn)的傳熱機(jī)制。傳導(dǎo)發(fā)生在固體、液體和氣體中。

傳導(dǎo)不涉及物質(zhì)的任何整體運(yùn)動(dòng)。氣體通過(guò)高能分子間的直接碰撞傳熱,由于氣體是稀釋的介質(zhì),因此氣體的熱導(dǎo)率相對(duì)于固體較低。在液體中的能量傳導(dǎo)與在氣體中相同,所不同的是,由于液體分子間的距離更近,分子力場(chǎng)對(duì)碰撞過(guò)程中的能量交換影響更強(qiáng),因此情況更加復(fù)雜。非金屬固體通過(guò)點(diǎn)陣振動(dòng)傳熱,因此熱在傳播時(shí)沒有介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。由于金屬具有攜帶熱能的自由電子,因此,與非金屬相比,在常溫下金屬是更好的導(dǎo)體。

傳導(dǎo)傳熱遵循傅立葉定律,其中提出:熱傳導(dǎo)速率 Q傳導(dǎo) 與傳熱面積 (A) 和溫度梯度 (dT/dx) 成正比,即:

Q傳導(dǎo) = - K A (dT/dx)

其中 K 是熱導(dǎo)率,用來(lái)度量材料的導(dǎo)熱能力。K 的單位是 W/m.oC 或 (Btu/s)/in.oF。對(duì)于如下所示的平面墊片,熱傳導(dǎo)速率通過(guò)以下公式計(jì)算:

Q傳導(dǎo)= - K A ( T熱 - T冷 )/L

此圖顯示了液體、非金屬固體和純金屬在常溫和常壓下熱導(dǎo)率的范圍值。

熱導(dǎo)率 (K) 的溫度依賴性
對(duì)于大多數(shù)材料,K 隨溫度而變化。在氣體中,它在低壓下會(huì)隨溫度而上升,但在金屬或液體中,則可能上升或下降。

下表列出了所選材料的熱導(dǎo)率 (W/m.oK) 對(duì)溫度 (oK) 的值:

對(duì)流 (Convection)
對(duì)流是熱量在固體表面和附近移動(dòng)的流體(或氣體)之間傳送的傳熱模式。對(duì)流有兩個(gè)要素:

由于隨機(jī)分子運(yùn)動(dòng)(擴(kuò)散)所引起的能量傳送,以及

流體的整體或宏觀運(yùn)動(dòng)(平流)所引起的能量傳送

對(duì)流機(jī)制可以解釋為如下: 當(dāng)較熱表面附近的流體層變得更熱時(shí),其密度會(huì)降低(在常壓下,密度與溫度成反比)而變輕。表面附近的較冷(較重)流體將代替較熱流體,循環(huán)模式形成。

溫度為 Tf 的流體和溫度為 Ts 、面積為 A 的固體表面之間的熱交換速率遵循牛頓冷卻定律,可以寫作:

Q對(duì)流 = h A (Ts - Tf)

其中 h 是對(duì)流傳熱系數(shù)。 h 的單位是 W/m2.K或Btu/s.in2.F。對(duì)流傳熱系數(shù) (h) 取決于流體運(yùn)動(dòng)、幾何形狀以及熱力學(xué)和物理屬性。

一般來(lái)說(shuō),有兩種模式的對(duì)流傳熱:

自然(自由)對(duì)流
固體表面附近的流體運(yùn)動(dòng)是由浮力造成的,而浮力是由于固體和流體之間的溫差而導(dǎo)致的流體密度變化所引起的。將熱板放在空氣中冷卻時(shí),板表面附近的空氣微粒變得較熱,密度降低,因此會(huì)向上移動(dòng)。

強(qiáng)迫對(duì)流
外部方式(如風(fēng)扇或泵)用來(lái)加速流體在固體表面的流動(dòng)。流體微粒在固體表面的快速運(yùn)動(dòng)使溫度梯度最大化,并增加了熱交換速率。

對(duì)流傳熱系數(shù)

輻射 (Radiation)
熱輻射是由物體由于其溫度的原因而以電磁波的形式發(fā)出的熱能。溫度在絕對(duì)零度以上的任何物體都會(huì)發(fā)出熱能。由于電磁波在真空中傳播,因此不需要任何介質(zhì)就可以發(fā)生輻射。下圖顯示了相比較其他方式(X 射線、g 射線、宇宙射線等)所發(fā)出的輻射來(lái)說(shuō)熱輻射的范圍(波長(zhǎng))。

太陽(yáng)的熱能通過(guò)輻射到達(dá)地球。由于電磁波以光速傳播,因此輻射是速度最快的傳熱機(jī)制。

下一小節(jié)將討論以下主題:

基本輻射定義

Stefan-Boltzmann 定律

真實(shí)表面的輻射發(fā)射

表面之間的輻射交換

輻射視角因數(shù)

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