熱分析用于計算一個系統(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、渦輪機、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,用有限元法計算各節(jié)點的溫度,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)的溫度場不隨時間變化

· 瞬態(tài)傳熱:系統(tǒng)的溫度場隨時間明顯變化

· 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?？紤]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物體之間或一個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)。實質(zhì)上,在真空中的熱輻射效率最高。

在工程中通?？紤]兩個或兩個以上物體之間的輻射,系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收熱量。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)點的溫度不隨時間變化。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)點溫度向量;

為節(jié)點熱流率向量,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)傳熱過程是指一個系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個過程中系統(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)點溫度向量;

為溫度對時間的導(dǎo)數(shù);

為節(jié)點熱流率向量,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行控制。

(綜合自網(wǎng)絡(luò))