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第3章稳态热传递(无热质量交换)稳态热传递•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=0稳态热传递控制方程•对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为:0...qzTkzyTkyxTkxzzyyxx•相应的有限元平衡方程为:QTK热载荷和边界条件的类型•温度–自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。•均匀温度–可以施加到所有结点上，不是一种温度约束。一般只用于施加初始温度而非约束，在稳态或瞬态分析的第一个子步施加在所有结点上。它也可以用于在非线性分析中估计随温度变化材料特性的初值。•热流率–是集中结点载荷。正的热流率表示能量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上。这种载荷通常用于对流和热流不能施加的情况下。施加该载荷到热传导率有很大差距的区域上时应注意。热载荷和边界条件的类型•对流–施加在模型外表面上的面载荷，模拟平面和周围流体之间的热量交换。•热流–同样是面载荷。使用在通过面的热流率已知的情况下。正的热流值表示热流输入模型。•热生成率–作为体载荷施加，代表体内生成的热，单位是单位体积内的热流率。热载荷和边界条件的类型•ANSYS热载荷分为四大类:1.DOF约束-指定的DOF(温度)数值2.集中载荷-集中载荷(热流)施加在点上3.面载荷-在面上的分布载荷(对流,热流)4.体载荷-体积或区域载荷热载荷和边界条件的类型施加的载荷载荷分类实体模型载荷有限元模型载荷温度约束在关键点上在线上在面上在结点上均匀热流率集中力在关键点上在结点上对流面载荷在线上(2D)在面上(3D)在结点上在单元上热流面载荷在线上(2D)在面上(3D)在结点上在单元上热生成率体载荷在关键点上在面上在体上在结点上在单元上均匀热载荷和边界条件的类型热载荷和边界条件注意事项–在ANSYS中,没有施加载荷的边界作为完全绝热处理。–对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。–如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。–响应热流率只在固定温度自由度时使用。热分析模板•建立模型–指定分析名称和工作文件名。–如果需要，记录单位制。–进入前处理器•定义单元类型，检查基本设置。•如果需要，定义实参。•定义材料特性。•生成或导入模型。•划分网格。热分析样板•求解器–定义分析类型，检查分析选项。–施加载荷和边界条件。–指定载荷步选项。–执行求解。热分析样板•查看结果–进入通用处理器和/或时序后处理器。–使用列表,绘图,等查看结果。–查看误差估计。–验证求解。GUI和ANSYS命令•ANSYS是命令驱动程序。•ANSYS命令可以手工输入，或用GUI(GraphicalUserInterface)输入或两种方法混用。•GUI提供了一种和ANSYS交流的简单的方法。•GUI根据用户操作自动生成ANSYS命令。所有使用的命令列表在jobname.log文件中。GUI和ANSYS命令•查看ANSYS输出窗口中命令执行和文字输出。稳态热传导例题说明分析过程中的每一步使用简单的例子说明。高亮度的方框中标出了例子的步骤。基本描述一个带有举行肋骨的长钢管从管中流动的热气体通过对流吸收能量。外表面暴露在大气中，热流从肋骨端部释放。.ANSYS命令流文件在附录B中稳态热传导分析实例例题描述:•热气体的温度是600°F。内部的对流热交换系数是0.40BTU/hr-in2-°F。•外部大气温度是100°F。外部的对流热交换系数为0.025BTU/hr-in2-°F。•每个肋骨端部热流为-20BTU/in2。分析目标:•分析其中最小的循环部分，要求得到如下结果:1)温度场分布。2)肋骨上下端面的对流热耗散。稳态热传导分析实例•下面是一个截面。建模说明:•内部对流载荷使用平面效果单元。•使用“在线上施加对流”施加肋骨外表面上的对流载荷。•在肋骨短部施加热流。•假设钢管是非常长的，不考虑钢管端部的影响。•只对最小的循环部分建模。绝热对称边界绝热对称边界翅片端部的热流密度对流面对流面简化成了最小的可重复2D几何模型。稳态热传导分析实例稳态热传导分析实例稳态热传递例题的指导说明:•使用最小的可循环部分求解下列问题:–钢管/肋骨中的温度场分布–钢管/肋骨的对流热损耗–绘出钢管/肋骨面上的温度变化情况。•使用轴对称的PLANE55单元划分网格。•在钢管内荆使用带有附加结点的平面效果单元SURF151。•假设为恒定的，各向同性的材料特性。•没有随温度变化的特性。高亮度的方框中标出了例子的步骤。建模•热分析的第一阶段包括建模和划分网格。•在本部分，我们要:–指定文件名和标题。–记录使用的单位。–进入前处理器•定义单元类型和基本选项。•查看实参定义。•定义材料特性。•生成几何模型。•划分网格。建模设置GUI的菜单过滤选项使用界面选项激活GUI菜单过滤;只有与热分析有关的菜单项可以显示和使用。如果不设置，所有的菜单都可以看到并使用。激活热菜单过滤并单击“OK”。建模指定文件名定义新的文件名与其他分析题目区别开来。所有文件名将为jobname.ext，点取“YES”将重写文件名分别为jobname.log和jobname.err的命令记录文件和错误文件。变换文件名为“stltube”建模指定标题为分析指定一个描述性的标题。标题将打印在图形的底部，并在载荷步文件和结果文件中显示。输入标题:“Example-SteelTubewithFins”并单击“OK”。建模单位使用/UNITS命令记录分析中使用的单位制。本例中使用的单位制记为British/Inches,缩写为“bin”•除了电磁场分析，用户不需“告诉”ANSYS你所使用的单位制。但是，你可以使用/UNITS命令记录你所使用的单位。•一旦你决定了使用的单位制，请一直使用它。ANSYS不提供任何单位转换。•选择的单位制将影响你的模型，材料特性，实参和载荷。•再次使用/UNITS并不完成单位制转换。建模单位如要获得/UNITS命令的更多说明，请使用线上文档。要使用帮助，在输入窗口中输入“help,xxxxx”;“xxxxx”可以是单元类型(77),命令(/units),或单元类别(solid)。或者，使用UtilityMenuHelp下拉式菜单。在输入窗口输入“help,/UNITS”查看线上文档。建模单位建模现在，我们准备开始前处理……….请记住，高亮度的方框中标出了例子的步骤。稳态热传递的例子。前处理：建模定义单元类型定义分析中使用的单元类型。开始定义单元类型。注意现在还没有定义单元类型。单击“Add….”开始添加。前处理：建模定义单元类型•使用HELP按钮得到单元库中的更多信息。•缺省状态下，第一个定义的单元类型其单元类型号为1。•如果GUI菜单过滤为热分析，只有热单元类型显示出来。选择热实体单元PLANE55作为单元类型,单击“Apply”。选择一个类别然后选择本类别中的单元类型前处理：建模查看并选择基本选项关键选项•关键选项或KEYOPTs是与单元类型相关的选项。•查看或修改关键选项的方法是选择下图中的“Options”:查看PLANE55缺省的基本选项。前处理：建模查看并选择关键选项使用下拉式菜单查看该单元的基本选项，并选择合适的数值。改变单元特征。本例题需要轴对称单元。缺省值为平面单元。前处理：建模表面效应单元表面效应单元-介绍•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。前处理：建模表面效应单元表面效应单元-介绍•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。注：表面效应单元在第7章中还有更详细的解释。前处理：建模表面效应单元表面效应单元和对流•对流载荷可以直接施加到表面效应单元，实体单元或几何模型实体上。•在SURF151上使用“附加结点”选项可以在“附加结点”上指定结点温度，相当于周围介质的温度。注:本例题实际上不需要使用平面效果单元，因为每个平面上只有均匀的对流(Hf和Tb为已知)。但是，在管的内径施加平面效果单元将使得我们在后处理中更方便地得到热能耗散数值。前处理：建模定义单元类型注意，第二个定义的单元自动定义为单元类型2。定义热表面效应单元SURF151。这是本例中的第二种单元类型。前处理：建模查看并选择基本选项查看SURF151单元的缺省基本选项并单击“Options”。前处理：建模查看并选择关键选项将单元行为从平面改变为轴对称。注意K4的改变,移去中间结点；K5的改变,对流计算中包含附加结点。结束后单击“Close”。前处理：建模定义并检查实常数实常数•实常数是指定单元类型的几何特征。•并不是所有的单元类型都需要实常数。•有些单元类型只有在选择了某些基本选项时才需要实参。•使用ANSYS在线帮助得到更多的关于实参的说明。•第一个定义的实常数缺省指定为实常数号1。前处理：建模定义并检查实常数检查需要的实常数。注意现在没有定义任何实参。单击“Add….”开始。前处理：建模定义并检查实常数•定义实常数:–首先选中要定义实常数的单元类型–然后，在对话框中输入相应的数字以定义实常数。例题中的单元类型都不需要实常数。注：如果有热生成载荷（HGEN）施加到表面效应单元上时，必须指定厚度。前处理：建模定义并查看材料特性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需要。–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。前处理：建模定义并查看材料特性在ANSYS中定义材料特性的选项:–在材料特性对话框中输入需要的数值。–从ANSYS材料库或用户自定义材料库中读入材料特性。在定义了材料特性以后，也可以将材料特性写到文件中以备后用。前处理：建模定义并查看材料特性要从材料库中读入材料特性，只要指定包含所需数据的文件路径和文件名即可。前处理：建模定义并查看材料特性要手工输入材料特性，首先选择MaterialModels菜单，并双击树状结构以获得该分析所需的材料行为方式(均匀各向同性，均匀各向异性，对温度变化)…….本例中使用的材料特性是均匀各向同性的。第一种材料缺省的材料号为1。前处理：建模定义并查看材料特性然后，在对话框中输入需要的数值………..对于均匀各向同性的稳态热分析，只需要KXX的数值。本例中使用钢的热传导率为0.75BTU/hr-in-°F前处理：建模随时间变化的材料特性对于随时间变化的材料特性，先要定义指定数值所对应的温度……..只是举例，不要使用这些数据。前处理：建模随温度变化的材料特性然后，点击“Graph”按钮，可画出材料特性随温度变化的图形。只是举例，不要使用该数据。前处理：建模使用随温度变化的材料特性ANSYS如何使用这些数据?•随温度变化的材料特性在每个单元中计入一次。在单元体内材料特性假设为均匀的。•对于给定的单元，其温度为:restemperatunodalelementforthatcentroidattheevaluatedelementoffunctionsshapedoneisevaluationpropertymaterialheatwhichtretemperatuthe:0T0TNTwhereTNTcc前处理：建模列出材料特性可以选择下列菜单列出材料特性……..与温度相关的材料属性也可列出前处理：建模删除材料特性材料特性可以单独