02热分析

第1页第二部分热分析第1章介绍第2章基本概念1、热传递的三种基本类型–传导-两个良好接触的物体之间的能量交换或一个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。传导的热流由傅里叶定律决定–对流-在物体和周围介质之间发生的热交换。对流的热流由牛顿冷却公式得出–辐射-一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。从i平面到j平面的辐射热由斯蒂芬-波尔兹曼定律得到2、热力学第一定律（能量守恒）能量守恒要求系统的能量改变与系统边界处传递的热和功数值相等。3、一般来说，稳态分析中网格上结点温度比实际温度要低。也就是说，如果加密网格，温度将增加，但加密到一定程度，结果将不显著增加(也就是说,结果收敛)。4、引起奇异性的原因：整体求解的奇异性和温度梯度、热流的奇异性。5、如何使热传递分析包括非线性？•当比热矩阵，热传导率矩阵和/或等效结点热流向量是温度的函数时，分析就是非线性的，需要迭代求解平衡方程。如果所有三项都是与温度有关的，那么控制方程可以写为如下形式:•下面几项都可以使得分析包括非线性:–与温度有关的材料特性–与温度有关的对流换热系数第2页–使用辐射单元–与温度有关的热源(热流或热流矢量)–使用耦合场单元(假设载荷向量耦合)6、何时需要定义比热和密度?•瞬态问题,这些数值用于形成比热矩阵(该矩阵表示瞬态分析中需要的热能存储效果).•稳态分析中包括有热质量传递效果(例如,模型中有流动导体介质).7、热分析单元库1-D热单元LINK31link34mass71combin372-D实体传导：plane35plane55plane77plane75plane783-D实体传导solide70solid87solid90shell571-D热流单元：Surf1168、热表面效果单元（Surf151）用于施加多种表面载荷(e.g.,对流和热流)到实体单元的表面，或连接到热-流单元(Fluid116)来提供表面信息(表面温度，面积等)。也可以提供热生成载荷(需要厚度实参)。第3章稳态热传递1、稳态热传递的定义•如果热能流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。•由于热能流动不随时间变化,系统的温度和热载荷也都不随时间变化。•由热力学第一定律，稳态热平衡可以表示为:输入的能量—输出的能量=02、稳态热传递的有限元平衡方程3、热载荷和边界条件的类型第3页4、表面效应单元•表面效应单元象“皮肤”一样附着在实体单元的表面，经常用来施加载荷。•表面效应单元为施加面载荷提供了更多的方式，特别是当在同一区域施加对流和热流两种载荷时。•一个模型中附加的，离开模型表面一定距离的结点，可以用来代表周围流体的介质温度。该“附加”结点同样对结果评估带来方便•表面效应单元可以用来施加热生成载荷。•当对流换热系数随温度变化时，表面效应单元很方便;基本选项的不同设置使得评估结果时选项也不相同。5、稳态热分析中关于材料特性的总体说明–对于稳态分析，热材料特性必须输入热传导率“k”-KXX,和可选的KYY,KZZ。–如果用户不定义，KYY和KZZ缺省等于KXX。–密度(DENS)和比热(C)或热焓(ENTH)在没有质量传递的稳态热分析中不要。–随温度变化的材料导热系数k,使得热分析为非线性。–与温度有关的换热系数也被处理为材料特性。第4章非线性分析的一些特殊考虑第5章瞬态分析控制方程与稳态分析的区别查看瞬态结果1、瞬态分析的定义1）如果需要知道系统受随时间变化(或不变)的载荷和边界条件时的响应，就需要进行瞬态分析。2）热能存储效应在稳态分析中忽略，在此要考虑进去。时间，在稳态分析中只用于计数，第4页现在有了确定的物理含义。3）涉及到相变的分析总是瞬态分析。4）相变分析必须考虑材料的潜热，即相变过程中吸收或者释放的能量，通过定义材料的焓特性来计算潜热。5）象稳态分析一样，瞬态分析也可以是线性或非线性的。2、控制方程回忆线性系统热分析的控制方程矩阵形式。热存储项的计入将静态系统转变为瞬态系统:3、时间积分步（iTS）大小的选择对于热瞬态分析，使用时间积分在离散的时间点上计算系统方程。求解之间时间的变化称为时间积分步(ITS)。通常情况下，ITS越小，计算结果越精确。选择合理的时间步很重要，它影响求解的精度和收敛性。选择方法：一种方法是先指定一个相对较保守的初始时间步长，然后使用自动时间步长增加时间步。下面的一些说明提供了大致估计初始时间步长的方法。4、打开/关闭时间积分效果稳态分析可以迅速的变为瞬态分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分效果打开。同样，瞬态分析可以变成稳态分析，只要简单的在后续载荷步中将时间积分效果关闭。结论:从求解方法来说，瞬态分析和稳态分析的差别就在于时间积分5、要准确模拟系统的瞬态响应，载荷必须以正确的幅值，在正确的时间和正确的速率施加。（阶跃还是渐进?）6、评估瞬态分析的准确程度欧拉参数θ,的数值大小在1/2和1之间。在这个范围内，时间积分算法是不明显而且不稳定的。因此，ANSYS总是忽略ITS幅值来计算(假设非线性收敛)。但是，计算结果并不总是准确的。（取θ为1/2或者1时收敛）当q=1/2，时间积分方法是“Crank-Nicolson”技术当q=1,时间积分方法是“BackwardEuler”技术响应特征值：表示最近载荷步求解的系统特征值:第5页振动极限：是无量纲数，是响应特征值和当前时间步长的乘积:第6章随时间和空间变化的复杂边界条件1、定义表格化边界条件就是通过表格施加的边界条件，其数值经过计算并在求解过程中施加。当要施加复杂的随时间和空间变化的载荷时，表格化的热边界条件就更加方便。2、表格组成：时间、全局笛卡尔坐标系中的坐标、温度、速度（Fluid116单元）、热流单元。3、独立变量：直接或间接随基本变量变化并形成表格的变量4、表格输入的应用：•表格化边界条件可以使用于所有实体模型和/或有限元模型热边界条件•如果表格化边界条件不是时间的函数，他们可以很好的随时间阶跃施加，而不受KBC命令的约束。5、ANSYS中两种数组参数•数组类型定义离散的函数。两维数组有m行n列;行用行号I标志,从1到m；列用列号J标志，从1到n。•表格类型使用线性插值方法定义连续的函数。6、重置时间步(TSRES)和在特定时间输出结果(OUTRES)8、定义表格的方法：1）使用命令定义APDL表格2）使用GUI定义表格3）使用外部模板定义APDL表格4）用GUI绘制表格第7章对流选项和简单的热/流单元一、对流/热流作为面载荷施加1、对流和热流边界条件可以作为面载荷施加在：几何模型、单元面、节点上；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。2、为什么使用平面效果单元？（surf151surf152）•给出了更多的适应性，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。第6页•允许用户对相同单元面或区域施加多个平面载荷(如热流和对流)。•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。•单元可以用于对平面热生成效果建模•允许计入简单的辐射效果•在选择的模型区域对平面流量和对流结果进行后处理时很方便。•提供了方便的手段得到当附加节点温度与介质温度相同时的对流净温度损失/获得。3、创建带有附加节点的平面单元的步骤–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。二、对流连接单元（LINK34）与接触热阻1、接触热阻两个平面(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。2、LINK34对流杆单元可以建立接触热阻。热阻由LINK34的实常数来控制。三、1D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。第8章热辐射分析1、热辐射概述•辐射热传递是通过电磁波传递热能的方法。•与其他热传递方式需要介质不一样，辐射在真空中热传递效率最高。•对于半透明体(如玻璃),辐射是体现象——因为辐射热从体中发散出。•对于不透明体，辐射主要是平面现象(ANSYS)——因为几乎所有内部辐射热都被实体内部吸收了。两平面间的辐射热传递与它们平面绝对温度差的四次方成正比:第7页因此，辐射分析是非线性的，需要迭代求解。•实际物体的表面辐射热到其他表面，同时从其他表面吸收热。当我们做辐射分析时，我们考虑的是辐射和吸收之间的平衡后的热传递效果。2、散射与反射表面总吸收率,a,与之吸收偶然辐射的趋势有关。表面总反射率,r,与之反射偶然辐射的趋势有关。a+r=1,能量守恒表面总辐射率ε：是平面在所有方向使用所有波长发射热的能力。这是一个无量纲数值。3、形状系数形状系数由相互辐射的两个表面(i和j)定义。它的定义是由于从一个平面(i)发射的辐射能偶然施加到另一个表面(j)上而得到，两个平面的形状系数是面积，方向和距离的函数。4、生成多表面辐射系统的矩阵需要比前面列出的简单因子近似方法复杂的过程。辐射是高度非线性现象，需要使用牛顿-拉普森迭代求解。平面辐射问题的矩阵方程：5、用于辐射建模的单元类型•表面效应单元–SURF151/SURF152单元;用于点和面或面和空气间的辐射效果。(注:SURF19和SURF22也可以使用)•辐射连接单元–LINK31;用于点和点之间的辐射•辐射矩阵(超单元)–用于通用的辐射问题涉及两个或多个平面。6、辐射单元矩阵用线性方程求解器迭代求解:其中，[K’]是{T}的函数第8页而[Kts]不是。建立步骤：1.定义辐射面。2.生成辐射矩阵。3.在热分析中使用辐射矩阵7、辐射通量法，用于2D或者3D的大型辐射问题。过程：–定义辐射表面。–指定合适的辐射选项。–指定合适的开放系统。–指定温度偏移量和斯波_兹曼常数。–指定形状系数。–定义加载项。第9章相变分析1、相-物质的一种确定原子结构形态，均匀同性。2、相变-系统能量的变化(增加或减少)可能导致物质的原子结构发生改变。物质相变时需要的热量称为溶化的潜热3、ANASYS中的应用•ANSYS涉及相变的重要有限元应用有:–液体的凝固或固结–固体的溶化•相变分析必须使用瞬态热分析求解。4、热焓•相变分析必须考虑材料的潜在热量。•热焓材料特性(ENTH)用来计入潜在热量。•热焓由密度和比热得出，在相变分析中应作为材料特性输入。•模型中其它材料应输入密度和比热数值。•只要定义材料的比热和密度或热焓；而非全部。•热焓数值随温度变化。因此，热分析是非线性的。•经典(热动力学)热焓数值单位是能量单位，为kJ或BTU。单位热焓单位为能量/质量，为kJ/kg或BTU/lbm。•ANSYS热焓材料特性单位为能量/体积，为KJ/m3或orBTU/ft3.•如果热量/体积热焓数值在某些材料中不能使用时，它可以用密度、比热和物质潜在热量得出。5、相变过程第9页•在相变分析中，固体和液体并存的情况下，温度会有很小的变动。•物质完全呈现液态的温度(液体温度)为Tl。•物质完全呈现固态的温度(固体温度)为Ts.•通过这样两个温度，潜在热量效果包括进有限单元生成过程中。6、控制方程系统产生相变时，其控制方程如下:7、相变分析求解–打开时间积分的瞬态分析。–时间步初始数值较小，时间步也很小。–自动时间步。–低阶单元类型(PLANE55或SOLID70)。–如果选择的高阶单元，打开对角比热矩阵选项。8、在求解相变问题时，可以使用以下方法改进收敛性:•反向欧拉时间积分(反向微分)。瞬态积分参数(theta)为1.0。这在求解控制打开