对流选项及热流单元

其它对流/热流密度载荷选项和简单的热/流单元对流/热流作为面载荷施加•对流和热流密度边界条件可以作为面载荷施加:–几何模型(2-D中的线,3-D中的面),忽略模型是否已经划分网格(ANSYSSFL,SFA命令)–在单元面上(ANSYSSFE命令)–在节点上(ANSYS找到所有面都在节点集合中的单元，然后施加对流在单元面上。ANSYSSF命令)•在上述实体上只能施加一种热面载荷。也就是说，不能同时施加热流和对流边界条件到单元上。表面效应单元•表面效应单元;SURF151(2-D),SURF152(3-D),可以覆盖在任何2-D热实体(除了谐波单元PLANE75和PLANE78)或3-D实体单元上。SURF152SURF151为何使用表面效应单元?•给出了更多的灵活性，定义随温度变化换热系数的温度，平面温度，流体温度，平均温度，温度微分的绝对值。•允许用户对相同单元面或区域施加多个平面载荷(如热流密度和对流)。•在介质温度未知的情况下，提供了一个建立对流效果的方便办法。单元有附加节点可以与模型中其它单元相连(如热-流单元FLUID116)。•单元可以用于对表面热生成效果建模，因为热生成速率是作为体载荷输入的(需要输入厚度实常数)。为何使用表面效应单元?(续)•允许计入简单的辐射效果，如辐射到空气中。•在选择的模型区域对表面热流密度和对流结果进行后处理时很方便。•当附加节点温度与介质温度相同时，提供了方便的手段(列出响应热流)得到的对流净温度损失/获得。表面效应单元的特殊用途•介质温度可以从附加节点得到(使用D命令)或指定(SFE命令)。•通过USERCAL命令激活USERCV用户子程序，可以用SFE命令来修改指定的换热系数。USERCV可以修改带有或不带附加节点的表面效应单元上的换热系数。这允许用户在程序中使用特殊的换热系数计算(参考ANSYSProgrammer’sManual得到细节)。•当FLUID116单元与第三个节点相连时，其它计算换热系数和介质温度的选项的时候也可以使用。创建带有附加节点的平面单元的步骤假设热/流单元(FLUID116)不与表面单元一起使用，下面的步骤是创建带有附加节点的平面单元的过程:–定义平面效果单元类型并带有“附加节点”选项。–象通常情况下划分2-D或3-D实体区域。–生成附加节点。–选择要生成表面效应单元的面上的节点并选择与之相连的实体单元。–将缺省属性(单元类型，材料特性，实常数序列)设置为要生成的平面效果单元。(生成使用FLUID116单元的表面效应单元的过程见7-31)。创建带有附加节点的平面单元的步骤(续)然后，用户将选择或输入节点号码确认附加节点。12MainMenuPreprocessorModelingCreateElements创建不带附加节点的表面效应单元的步骤在大多数情况下，表面效应单元使用带有附加节点的选项。但是，也可以创建不带附加节点的表面效应单元(如只有热流载荷)。使用下列步骤操作:–定义不带“附加节点”的平面效果单元。–象通常情况下划分2-D或3-D实体区域。–选择要生成平面效果单元的面上的节点并选择与之相连的实体单元。–将缺省属性(单元类型，材料特性，实常数序列)设置为要生成的平面效果单元。创建不带附加节点的表面效应单元的步骤(续)12注:不带附加节点的平面效果单元也可以使用划分线的操作得到(LMESH)。在使用这种方法时，平面效果单元的坐标系将由线的方向确定而非覆盖的实体单元坐标系。MainMenuPreprocessorModelingCreateElements表面效应单元的图形显示在缺省情况下，如果绘制单元图，ANSYS将表面效应单元象面一样显示，附加节点以点显示。面表面效应单元的图形显示单元图的形式可以改变为下图的样子。这样可以清晰地识别附加节点。123对流连接单元•对流连接单元(LINK34)可以用于多种情况:–在热网格模型中作为对流连接–在热/流单元和2-D和3-D热实体单元间作为对流连接(通常平面效果单元较容易实现)–在两个或多个部分定义接触热阻时作为一种方法。由于对流单元不需要长度，节点I和J可以是重合的(不象对流连接单元LINK32和LINK33)。LINK34对流连接单元(续)节点I和J之间的热流速率可以定义为:见ANSYS单元手册4-34。qhAETTqhAEFTTCChThAFnCCfIJfPIPJnfPIorPJf***()where:=heatflowratefilmcoefficient(canbetemperature-dependent)=convectionarea=empiricalterm=*/temperaturesatnodeIorJinprevioussubstep(,,,andareuser-definedconstants)接触热阻两个面(不同温度)在接触时接触处温度会有降低。降低是由两个平面不完全接触引起的。不完全接触，也叫接触热阻，可以有下面许多原因造成影响:–平面平整度–平面光洁度–氧化–气泡–接触压力–平面温度–润滑剂的使用DTTx接触热阻(续)通常当需要接触热阻效果时，要使用对流单元连接接触面。本方法需要每个平面上的节点是对齐的(通常重合)。因为用对流连接单元（对于具有一致节点的面很方便）定义的热阻不是单元长度的函数，因此对流单元比传导杆单元好。接触热阻的两种方法在下面叙述。ConvectionelementsConvectionelements使用对流连接单元进行接触热阻建模LINK34对流连接单元可以建立接触热阻。热阻由LINK34的实常数来控制。热阻定义为:如果E=F=1(n,CC=0),hf*A是热传导，因此是热阻的倒数。q=T/R=heatflowratebetweentwopointswhere:T=temperaturedifferencebetweentwopointsR=thermalresistancebetweentwopointsDD使用对流连接单元进行接触热阻建模(续)下面的步骤用于在相邻部分生成LINK34单元的接触热阻:–划分各部分使得网格对齐(接触面上网格重合)–激活适当的单元类型，材料特性和实常数–选择接触面上的节点序列–使用EINTF命令自动生成单元:(PreprocessorModelingCreateElementsAuto-numberedAtCoincidentNodes)接触面上的对流杆单元(注:平面边缘的单元实参不同)为了清晰显示而夸大了的面的分离使用对流杆单元进行接触热阻建模2-DSURF151和3-DSURF152热平面效果单元可以用于模拟接触热阻。当使用表面效应单元时，使用两个具有共同附加节点的表面效应单元如图。附加节点的位置不重要，但它们同属于表面效应单元。定义Hf数值为LINK34单元的两倍因为有实际的两个接触热阻存在。这与模拟平面荷小管路的流体间的对流过程类似(在下一部分阐述)。不同之处在于附加节点也用于定义热-流单元。为了清晰显示而夸大了的面的分离共享的附加节点1-D热/流单元-FLUID116•本单元对一维热和流体建模，但它可以用于2-D或3-D实体单元。缺省情况下，单元每个节点有两个自由度，压力和温度，可以用于稳态和瞬态分析。•在绝大多数情况下,FLUID116用于在2-D和3-D模型中包括热质量传递和对流效果而不使用复杂的计算流体动力学模型。FLUID1161-D热/流单元-FLUID116(续)•温度荷流分布为1-D(沿I-J轴)。•用户可以指定流速(使用SFE命令的HFLUX标号)，避免非线性流动计算或提供流体传导(或给程序计算流体传导提供足够的数据)。程序基于Bernoulli’s方程就可以通过流体网格方程计算压力和流分布。•热效果包括:–长度方向的传导–热质量传递–内部热生成(用户指定或计算粘性热流)–通过可选节点(K,L)对流或使用FLUID116节点作为平面效果单元的附加节点。1-D热/流单元-FLUID116(续)•流动效果可以包括管路摩擦损失和损失系数。•使用标准的ANSYS命令如ACEL,OMEGA,可以考虑泵和其它惯性效果。1-D热/流单元-FLUID116(续)一个单元的平衡方程为:NC000T0NK00KTPQwNQHwhereC=specificheatmatrixforonechannelK=thermalconductivitymatrixforonechannelQ=internalheatgenerationvectorforonechannelK=pressureconductivitymatrixforonechannelP,T=nodalpressureandtemperaturctctpcgttgpLNMMOQPPRS|T|UV|W|LNMMOQPPRS|T|UV|W|RS|T|UV|W|RS|T|UV|W|mrlqlqlqlqlqmrlqmrlqlqevectorsQ=nodalheatflowvector(HEATonFcommand)w=nodalfluidflowvector(FLOWonFcommand)H=gravityandpumpingeffectsvectorforonechannelN=numberofparallelflowchannelsclqlqlq1-D热/流单元-FLUID116(续)使用FLUID116时应考虑下列问题:•当包含热质量传递效果时，热传导矩阵是非对称的，因此要需要更多的求解空间。•在Bernoulli’s方程中,压力降(Pi-Pj)与流(w)不是线性关系，因此如果计算流速就需要非线性流求解。流计算可以用给出流速(使用命令)跳过并使用关键选项为只有温度DOF。•在瞬态分析中，流速变化是瞬时的。流体压缩效果可以通过理想气体假设包括进来。•由于质量传递引起的能量变化在单元的输出节点集中(流体流出节点).FLUID116单元选项描述•KEYOPT(1)自由度–0,PRESandTEMP–1,TEMP–2,PRES•KEYOPT(2)–0,2节点无对流效果–1,2节点和对流信息传递到SURF151/152单元–2,4节点和对流面通过实常数提供FLUID116单元选项描述(续)•KEYOPT(5)在何时温度有hf=f(T)–0,平均流体温度(Ti+Tj)/2–1,平均墙温度(Tk+Tl)/2–2,平均单元温度(Ti+Tj+Tk+Tl)/4–3,温差=平均流体－平均壁面•KEYOPT(4)–本选项决定如何定义换热系数(见7-29)FLUID116单元选项描述(续)•KEYOPTs(6),(7),(8)控制如何计算流体传导对流热传递到/从FLUID116•定义对流面的方法:–使用可选节点(K,L),用户在节点(K,L)实参指定对流面或由程序基于实参计算-hydraulicdiameter–用SURF151/152单元处理对流将节点I或J作为附加节点换热系数选项-FLUID116•如果使用带有可选节点(K,L)的FLUID116，这些选项可以用来指定hf:–hf由MP命令指定–hf由与Nusselt(hf*D/Kxx),Reynolds和Prandtl数有关的方程定义–使用TB命令用表格输入:•hf为温度和平均速度的函数•hf为温度和Reynold’s数的函数•Nusselt数为温度和Reynold’s数的函数–使用用户子程序USER116HF(参考ANSYSProgrammer’sManual)换热系数选项-FLUID116(续)•如果使用FLUID116为SURF151/152“附加节点”,可以使用下列选项定义hf:–hf通过SFE命令指定给SURF151/152单元–hf由用户子程序USERCV激活USERCAL命令给出–hf使用用户子程序USERSURF116,注意使用本程序将覆盖所有由SFE或USERCV定义的数值与表面效应单元的接口已经有宏用来对使用FLUID116结点作为SURF151和152