ANSYS(热辐射第5节).ppt

QUST15热辐射分析QUST25热辐射分析5.1热辐射分析简介辐射是一种通过电磁波传递能量的方式。电磁波以光速传播且无需任何介质。热辐射仅为电磁波谱中的一小段。因为由于热辐射引起的热流与物体表面绝对温度的四次方成正比，因此热辐射分析是高度非线性的。辐射热传递是通过电磁波传递热能的方法。热辐射的电磁波波长为0.1到100mm。QUST3不象其他热传递方式需要介质，辐射在真空中(如外层空间)效率最高。对于半透明体(如玻璃),辐射是三维实体现象,因为辐射从体中发散出。对于不透明体，辐射主要是平面现象因为几乎所有内部辐射都被实体吸收了。ANSYS可以模拟不透明体间的辐射，所以我们将讨论范围限制在平面辐射现象上。QUST4平面总发射率,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。平面在所有方向用所有波长发射的总能量(热流单位)由施蒂芬-波斯曼定律确定:4TAqEDiffuseSurfaceSpectralSurfaceqqQUST5平面可以理想化为散射或反射装置。散射装置会将辐射均匀反射到所有方向，而不管辐射源的方位:通常情况下，平面可以被理想化为散射或反射面。反射平面会将辐射以近乎镜象的方式反射:没有实际的平面是真正的散射或反射面。比较灰暗的平面接近散射面，高度抛光的平面接近反射面。QUST6为了简化计算，平面的辐射特性可以在所有的波长和方向平均。因此，在散射和反射平面之间没有差别。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:)(44jijiTTQQUST71.黑体黑体是理想化的平面，用来与实际平面进行比较。黑体的特性:黑体吸收所有的偶然辐射(没有反射),不管波长和方向。黑体为纯粹的发射器。对于给定的波长和温度，没有平面比黑体发射更多的能量。黑体是纯粹的散射发射器;辐射在所有方向均一致。因此，对于黑体:αB=εB=1QUST8.灰体实际平面叫做“灰体”因为他们不象黑体。3.ANSYS和辐射ANSYS中关于辐射的重要假设和方法:ANSYS认为辐射是平面现象，因此适合用不透明平面建模。ANSYS不直接计入平面反射率。考虑到效率，假设平面吸收率和发射率相等(a=ε)。因此，只有发射率特性需要在ANSYS辐射分析中定义。ANSYS不自动计入发射率的方向特性，也不允许发射率定义随波长变化。发射率可以在某些单元中定义为温度的函数。QUST9到此为止我们只讨论了单独的辐射平面。但是，在研究实际问题时，我们通常要考虑多个辐射平面的相互作用。要考虑的平面越多，问题越复杂:QUST104.形状因子“形状因子”由相互辐射的两个平面(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平面(j)上而得到。两个平面的形状因子是面积，方向和距离的函数。Ai、Aj表示表面I与表面J的面积，γ表示面单元dAi与面单元dAj之间的距离，θi表示面单元dAj的法线Nj与两面但与连线的夹角，Ni表示面单元dAi的法线；Nj表示面单元dAj的法线QUST11QUST12角系数Fij具有以下特征：与面距离的平方成反比；与cosθi成正比，在θi=0时表面I辐射出最大的热量。与cosθj成正比，在θj=0时表面I辐射出最大的热量。QUST13若两表面彼此“看不见”（即cosθi=0且cosθj），则彼此的角系数等于0；根据相互作何用原理，从任何平面发射的能量必须守恒，对于任意两表面均有AiFij=AjFji热辐射计算方程：两个表面之间的热辐射计算公式为：QUST14上式中各参量的物理意义如下：Q：表面I的传热率：Stefan-Bolzman常数：有效热辐射率；：表面I的面积；、：表面I与表面J的绝对温度值。iiAiTjT、QUST155.2热辐射问题分析ANSYS提供了三种方法分析热辐射问题：（1）用LINK31，辐射线单元，分析两个点或多对点之间的热辐射（2）用表面效应单元SURF19或SURF22，分析点对面的热辐射（3）用AUX12，热辐射矩阵生成器，分析面与面之间的热辐射以上三种方法既可用于稳态热分析，也可用于瞬态传热分析。QUST161.点-点问题模拟两节点或多对节点的热辐射问题时，应使用热辐射线单元LINK31。LINK31作为两节点非线性单元可以计算两点之间因辐射引起的热交换。使用此单元需指明以下常数：有效的辐射表面面积角系数辐射率Stefan-bolzmann常数。QUST172.点-面问题模拟点面之间的热辐射问题，通常采用表面效应单元-SURF151和SURF152。其中SURF151用于2D单元和SURF152用于3D单元。表面效应单元利用实体表面的节点形成单元，并且直接覆盖在实体单元的表面。使用表面效应单元可以更QUST18灵活的在实体表面施加热载荷。例如，热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS在计算过程中仅读取最后施加的面载荷进行计算。为避免ANSYS只读取一种载荷，可以利用实体单元承受热流密度，而表面效应单元承受对流载荷。QUST19SURF151实常数:FORMF(角系数)、SBCONST（Stefan-Bolzmann常数）材料属性：DENS（密度）、EMIS（辐射率）表面载荷：对流、热流密度。体载荷：生热率QUST20SURF152实常数:FORMF(角系数)、SBCONST（Stefan-Bolzmann常数）材料属性：DENS（密度）、EMIS（辐射率）表面载荷：对流、热流密度。体载荷：生热率QUST21注意：热辐射分析要注意温度的单位制，因为计算热辐射使用的温度单位是绝对温度。如果在加载时使用的是华氏温度，就要设置460的差值；如果为摄氏温度，差值为273。QUST223.使用LINK31单元的注意事项LINK31是一个两节点非线性线单元，用于计算由辐射引起的两点之间的热传递。此单元要求键入如下的实常数：有效的热辐射面积形状系数辐射率Stefan-Boltzmann常数QUST234.使用表面效应单元的注意事项表面效应单元可以方便地分析点与面之间的辐射传热。SURF19用于两维模型，SURF22用于三维模型。单元应设置为包含辐射KEYOPT（9）。QUST245.使用AUX12—辐射矩阵生成器此方法用于计算多个辐射面之间的辐射传热。这种方法生成辐射面之间形状系数矩阵，并将此矩阵作为超单元用于热分析。AUX12方法由三个步骤组成，即首先定义辐射面，然后生成辐射矩阵，最后在热分析中使用辐射矩阵。下面介绍使用AUX12求解热辐射问题的步骤：QUST25(1)定义辐射面首先建立有限元模型在辐射面上覆盖一层SHELL57辐射面往往是3D模型中的面或2D模型中的边，因此在辐射表面用SHELL57（3D）或LINK32（2D）划分网格。最好的方法是先选择辐射表面的节点，然后用如下方法创建SHELL57或LINK32单元：命令：ESURFGUI：MainMenuPreprocessorModelingCreateElementsSurf/ContactSurf-sufGeneralSurfaceQUST26注意：辐射面上的SHELL57或LINK32单元与节点必须与实体单元相吻合，否则计算的结果是不正确的。生成的SHELL57或LINK32单元的取向也很重要。AUX12假定辐射的方向是SHELL57的+Z向或LINK32的+Y向。因此在生成SHELL57或LJNK32单元时要注意节点的排列顺序。如果所分析的系统是开放的，即一个面所辐射的热能未被模型中其它的面吸收，则必须定义一个空间节点，用于吸收损失的辐射热量。这个节点的位置是任意的。对于封闭的系统，不应定义空间节点。QUST27(2)生成辐射矩阵生成辐射矩阵首先需要进入AUX12，然后选择所需节点和单元，确定模型的维数。进入AUX12命令：/AUX12GUI：MainMenuRadiationMatrix选择组成辐射面的节点和单元比较方便的方法是根据单元类型选择单元，并选择单元上的节点。确定模型是3D还是2D命令：GEOMQUST28GUI：MainMenuRadiationMatrixOtherSettingAUX12用不同的算法计算2D或3D模型的形状系数。AUX12默认为3D。2D分为纯平面或轴对称，默认为纯平面。定义每个辐射面的辐射率命令：EMISGUI：MainMenuRadiationMatrixEmissivities辐射面的辐射率ANSYS默认为1。定义Stefan-Boltzmann常数命令：STEFGUI：MainMenuRadiationMatrixOtherSettingsStefan-Boltzmann常数QUST29(3)确定状系数命令：VTYPEGUI：MainMenuRadiationMatrixWriteMatrix用什么方式计算形形状系数，ANSYS提供两种选择，即选择是隐藏还是非隐藏方法。非隐藏方法计算每两个单元之间的形状系数，无论它们之间有无障碍；隐藏方法默认）用一种隐藏线算法判断两辐射面之间是否“可见”，如果可见则计算形状系QUST30(4)定义空间节点：命令：SPACEGUI：MainMenuRadiationMatrixOtherSettings如为开放系统.(5)计算辐射矩阵并写入jobename.sub文件命令：WRITEGUI：MainMenuRadiationMatrixWriteMatrix(6)选择所有的节点和单元QUST315.3热辐射问题分析11.问题描述如图所示一黑体，表面积1m2，形状系数和辐射率为1，温度为2000℃，周围环境温度为0℃，求黑体的辐射热流率。黑体结构示意图QUST322.问题分析选择LINK31热辐射单元进行求解。3.建立模型(1)过虑菜单简化菜单（过虑菜单）操作如下：GUI：MainMenuReferenc在弹出的ReferencforGUIFiltering对话框中，选择Thermal。单击OK。命令：/COM,ThermalQUST33(2)选择单元选择热分析单元，操作如下：GUI：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete选择ThermalLink3Dradiation31选项，在Elementtypereferencenumber文本框中输入如1。QUST34GUI：MainMenuPreprocessorRealcontantsAdd/edit/delete命令，点击Add按钮，在Elementtypeforrealcontants对话框，单击OK按钮，进行如图设置QUST35(3)建立模型首先进入DefineMaterialModelBehavior对话框，操作如下：GUI：MainMenuPreprocessorModelingCreatenodesonactivecs命令，在弹出的对话框中，在NodeNumbers文本框中输入1，在X，Y，Z文本框中依次输入0、0、0。点击Apply按钮，在NodeNumbers文本框中输入2，在X，Y，Z文本框中依次输入0、0、0。QUST36GUI：MainMenuPreprocessorModelingCreateElementAutoNumberedThruNodes，出现Elementfromnodes菜单，在文本框中输入1，2，单击OK。UnitityFileSaveas命令进行存盘。QUST374.加载求解选择Transient分析，操作如下：GUI：MainMenuPreprocessorLoadsAnalysisTypeNe