ANSYS 热分析培训 第三章

第3章稳态热传递(无质量传输)HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-2稳态热传递•如果热量流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。•由于热量流动不随时间变化,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:输入能量—输出能量=0HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-3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:相应的节点处的有限元平衡方程为:0...qzTkzyTkyxTkxzzyyxxQTKHEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-4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–可以施加到没有温度约束的所有节点上。可以在稳态或瞬态分析的第一个子步对所有节点施加初始温度而非约束。它也可以在非线性分析中用于估计随温度变化材料特性的初值。•热流率–是集中节点载荷。正的热流率表示热量流入模型。热流率同样可以施加在关键点上。此载荷通常用于不能施加对流和热通量的情况下。施加该载荷到热传导率相差很大的区域上时应注意。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-5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，模拟模型表面与周围流体之间的热量交换。•热通量(热流密度)–同样是面载荷。当通过面的热流率已知的情况下使用。正的热流密度值表示热量流入模型。•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。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-6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-施加在点上的集中载荷(热流)3.面载荷-在面上的分布载荷(对流、热流密度)4.体载荷-体积或场载荷（热生成）HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-7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节点上均匀热流率集中载荷在关键点上在节点上对流面载荷在线上(2D)在面上(3D)在节点上在单元上热通量（热流密度）面载荷在线上(2D)在面上(3D)在节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节点上在单元上均匀HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-8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。–通过施加绝热边界条件（缺省条件）得到对称边界条件。–如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。–反作用热流率只在固定了温度自由度时才具有。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-9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，检查单元关键选项。•如果需要，定义实常数。•定义材料特性。•生成或导入几何模型。•划分网格。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-10热分析模板•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。–进行求解。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-11热分析模板•查看结果–进入通用处理器和/或时间历程后处理器。–使用列表,绘图等查看结果。–查看误差估计。–验证求解。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-12GUI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程序交流的简单方法。•GUI根据用户操作自动生成ANSYS命令。所有使用的命令可以在jobname.log文件中看到。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-13GUI和ANSYS命令•查看ANSYS输出窗口以查看命令执行情况和输出文本。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-14稳态热传导分析实例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。基本描述一个带有矩形翅片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，翅片的顶端通过热流密度释放热量。本例题的ANSYS命令流文件在附录B中HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-15稳态热传导分析实例例题描述:•热气体的温度是600°F。内部对流换热系数是0.40BTU/hr-in2-°F。•外部大气温度是100°F。外部对流换热系数为0.025BTU/hr-in2-°F。•每个翅片端部热流量为-20BTU/in2。分析目标:•由于模型是循环对称结构，故可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)翅片上下端面的对流热耗散。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-16稳态热传导分析实例•下面是截面图。建模说明:内部对流载荷使用表面效应单元。使用“在线上施加对流载荷”的方式在翅片的外表面上加对流载荷。在翅片端部施加热流密度。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。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-17稳态热传导分析实例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最小的可重复的2D几何模型。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-18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/翅片中的温度场分布–钢管/翅片的对流热损耗–绘出钢管/翅片面上的温度变化情况。•使用轴对称的PLANE55单元划分网格。•在钢管内表面使用带有附加节点的表面效应单元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。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-19建模•热分析的第一阶段包括建模和网格划分。•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•定义单元类型和单元关键选项。•定义实常数。•定义材料特性。•生成几何模型。•划分网格。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-20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。激活热分析菜单并单击“OK”。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-21建模指定文件名定义新的文件名以便与其它分析进行区分。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。将文件名变换为“stltube”HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-22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”。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-23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”除了电磁场分析外，在其它分析类型中，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、实常数和载荷的数值。再次使用/UNITS并不完成单位制转换。建模单位HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-24建模单位如要获得/UNITS命令的更多说明，请使用在线帮助。在输入窗口输入“help,/UNITS”查看在线文档。要使用帮助，在输入窗口中输入“help,xxxxx”;“xxxxx”可以是单元类型号(如：77)、命令(如：/units)、或单元类别(如：solid)。或者，使用UtilityMenuHelp下拉式菜单。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-25建模单位HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-26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。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-27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。注意现在还没有已定义好的单元类型。请单击“Add….”开始添加。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-28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。•因为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1,单击“Apply”。然后选择本类别中的单元类型先选择一个类别HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-29建模查看并选择关键选项关键选项•关键选项或KEYOPTs是与单元类型相关的选项。•查看或修改关键字选项的方法是选择下图中的“Options”:查看PLANE55缺省的关键字选项。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-30建模查看并选择关键选项使用下拉式菜单查看该单元的关键选项，并选择合适的数值。改变单元特性设置。本例题需要轴对称特性。缺省特性为平面。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-31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。•偏离模型表面一定距离的可选离散节点，可以用来代表周围流体介质的温度。该“附加”节点同样对结果评估带来方便。HEATTRANSFER6.0培训手册March30,2002Inventory#0014453-32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，用表面效应单元来处理就很方便;关键选项的不同设置使得结果评估也不相同。注：表面效应单元在第7章中还有更详细的解释。HEATT