搜索COSMOS在熱分析中使用設(shè)計驗證
2013-06-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
內(nèi)容介紹 在熱分析中使用設(shè)計驗證熱傳導(dǎo)基本原理 COSMOSWorks熱分析能力 COSMOSWorks熱分析實際案例
作者: COSMOS 來源: COSMOS
關(guān)鍵字: COSMOS 熱傳導(dǎo) 實際案例 熱分析
傳熱原理
熱傳遞有三種傳熱方式。這些方式分別是:傳導(dǎo),對流和輻射。熱傳導(dǎo)描述一個實體內(nèi)的熱傳遞,通常是在零件和裝配體之間。對流和輻射通常涉及到固體和周圍環(huán)境的熱交換。
圖8三種傳熱機(jī)理的主要特點(diǎn)
例如,通過熱傳導(dǎo)熱量流過一個墻壁,傳導(dǎo)的熱量大小與墻壁兩端的溫度差和墻壁面積A成正比,與墻壁的厚度L成反比,比例因數(shù)K,叫做熱導(dǎo)率,用來描述材料的導(dǎo)熱能力(圖9)。
圖9熱量從溫度高的一面?zhèn)鲗?dǎo)到另外一面。
不同材料的熱導(dǎo)率K變化很大;在導(dǎo)體和絕緣體也有很大區(qū)別(圖10)。
圖10不同材料的熱導(dǎo)率
熱量在固體表面和附近移動的流體(或氣體)如空氣,水蒸汽或油之間的熱交換叫做對流。對流熱量交換的大小與固體表面溫度TS和周圍環(huán)境溫度TF差的大小和熱交換的表面積成正比(散熱和吸熱)。比例因子h叫做對流傳熱系數(shù)。固體表面和氣周圍環(huán)境的熱交換需要流體的運(yùn)動。(圖11)。
圖11對流產(chǎn)生的熱量需要周圍的流體運(yùn)動才能產(chǎn)生。
對流系數(shù)很大程度上取決于介質(zhì)(例如.,空氣,水蒸汽,水,油)對流的種類分為:自然對流和強(qiáng)迫對流,自然對流只有在重力的情況下才能發(fā)生,因為流體的運(yùn)動而是由于冷熱流體的重力差而產(chǎn)生的。而強(qiáng)迫對流與重力的大小無關(guān)(圖12,13)。
圖12自然對流由于冷熱流體不同的密度產(chǎn)生。強(qiáng)迫對流流體的運(yùn)動是強(qiáng)迫的,例如風(fēng)扇。
圖13不同材料的對流系數(shù)。
圖14陶瓷芯片產(chǎn)生熱量,放在一個鋁質(zhì)散熱片中,散熱片周圍的介質(zhì)為空氣。
為了更好的觀察同時考慮熱傳導(dǎo)和對流的效果,我們來一起看一個散熱片(圖14)。
芯片產(chǎn)生熱量,芯片通過熱傳導(dǎo)在其內(nèi)部進(jìn)行熱量傳遞,然后同樣通過熱傳導(dǎo)傳遞到鋁制散熱片中.在陶瓷芯片與鋁制散熱片中的熱傳導(dǎo)需要克服陶瓷與鋁之間的界面缺陷產(chǎn)生的熱阻層,最終熱量通過對流擴(kuò)散到散熱片周圍的空氣中。
添加一個冷卻風(fēng)扇或者將散熱片放入水中,都不會改變熱傳導(dǎo)的機(jī)理,散熱片仍然通過對流進(jìn)行散熱,唯一不同的就是作為散熱劑的水和空氣對流系統(tǒng)數(shù)值大小。
散熱片的溫度場如圖15所示。散熱片的散熱可以通過熱流向量顯示(圖15,右)。熱流向量離開散熱片進(jìn)入到周圍的流體環(huán)境中.沒有向量通過底部的表面,因為在模型中散熱片的底面和芯片都是絕熱的。
圖15散熱片中的溫度場分布和熱通量
我們注意到散熱片和陶瓷芯片之間的界面產(chǎn)生的熱阻層的建模,在某些設(shè)計驗證的軟件中這個熱阻層必須建立模型,而在COSMOSWorks中,我們只需要輸入熱阻系數(shù)就可以實現(xiàn)了,而不需要建立熱阻層的模型。
目前在這個散熱片中熱傳導(dǎo)的討論中我們只考慮了傳導(dǎo),對流,輻射中的兩個機(jī)理,傳導(dǎo)(僅僅在實體內(nèi)部:芯片和散熱片)和對流(散熱片耗散到環(huán)境的空氣中的熱量).通過輻射的熱交換可以忽略,因為在當(dāng)前散熱片的溫度條件下,輻射量是非常小的,可以忽略。而在下面一個熱傳導(dǎo)的例子中的,輻射是不可以忽略的。
輻射可以在兩個不同溫度的物體之間進(jìn)行也可以將物體的熱量輻射到空間。由于輻射在真空中傳播,因此不需要任何介質(zhì)就可以發(fā)生輻射。
圖16任何兩個不同溫度的物體通過輻射產(chǎn)生的熱交換。而且一個物體也可以將熱量輻射到環(huán)境中。
溫度為T1,T2的兩個物體間通過輻射產(chǎn)生的熱交換大小與兩個物體絕對溫度的四次方差,參與輻射的表面積大小和輻射表面的發(fā)散率(輻射能力)成正比,輻射表面的發(fā)射率可以定義成在同一溫度下表面的發(fā)射功率與黑體的發(fā)射功率之比。材料指定的發(fā)射率值介于0和1.0之間。因此,黑體的發(fā)射率為1.0,理想反射體的發(fā)射率為0。由于通過輻射產(chǎn)生的熱交換與絕對溫度的四次方成正比,因此對于高溫的熱分析,輻射就顯得非常重要。
一個帶有真空燈罩的聚光燈,假設(shè)真空燈罩足夠大,從真空罩反射回聚光燈泡的熱量可以被忽略,燈泡和反射器都是在真空環(huán)境中,而鋁制燈罩的外表面則暴露在空氣中。(圖17).
圖17聚光燈模型中,反射面和燈泡都是在真空環(huán)境中,反射罩的外表面暴露在空氣中。
燈泡產(chǎn)生的熱量一部分輻射到空間,另一部分則輻射到反射器中,只有一小部分熱量在燈泡和燈罩接觸的部分通過熱傳導(dǎo)傳遞到燈罩中,輻射到燈罩的熱量又被分為兩部分T:一部分輻直接射掉,另一部分由反射面通過熱傳導(dǎo)傳遞到接觸空氣的外表面,然后通過對流耗散到空氣中。
分析結(jié)果顯示燈罩的溫度比較均勻,因為鋁的傳導(dǎo)率很高,因此熱量可以很好的在燈罩中進(jìn)行傳導(dǎo)。(圖18)
圖18聚光燈中溫度的分布
注意,輻射只在高溫才會顯得比較重要。燈泡必須由足夠高的溫度才能輻射熱量。
瞬態(tài)熱分析
散熱片和聚光燈的分析都是屬于穩(wěn)態(tài)問題,都是建立在有足夠的時間使得熱量趨于穩(wěn)定,穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)與熱量趨于穩(wěn)定的時間的長短有關(guān),有可能是幾秒,幾個小時或者幾天。
熱量、溫度隨著時間的改變而改變的分析屬于靜態(tài)熱分析問題,例如由一個有加熱器加熱的咖啡壺。加熱器的溫度由咖啡溫度調(diào)節(jié)器(恒溫器)所控制,當(dāng)咖啡的溫度低于設(shè)定最低溫度的時候,恒溫器就會打開,讓咖啡溫度高于設(shè)定的最高溫度的時候恒溫器就會關(guān)閉,如圖19所示溫度范圍會隨著時間的變化在某個范圍內(nèi)擺動。
圖19熱分析的結(jié)果可以直接輸入到結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行熱盈利分析。
熱應(yīng)力
固體的溫度會隨著熱量的傳遞改變,當(dāng)溫度改變的時候,就會伴隨發(fā)生熱漲和冷縮。由于熱漲和冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力叫做熱應(yīng)力。
當(dāng)往一個杯子中倒入熱咖啡時就會產(chǎn)生熱應(yīng)力,這樣的熱應(yīng)力分析需要確定溫度的分布;杯子的內(nèi)表面溫度就是咖啡的溫度,而外表面則通過自定義的對流系數(shù)向外界空氣中散熱,由于冷卻是個相對較慢的過程,因此可以通過一個穩(wěn)態(tài)熱分析可以獲得杯子的溫度分布。溫度的差異性會導(dǎo)致熱應(yīng)力,當(dāng)我們使用COSMOSWorks的熱分析的結(jié)果就可以建立一個靜態(tài)算例獲得杯子的熱應(yīng)力分布。(圖20)
圖20通過穩(wěn)態(tài)熱分析可以獲得杯子不同位置的溫度分布,(左)建立一個結(jié)構(gòu)分析得到相應(yīng)的應(yīng)力分布(右)
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