热分析ansys教程ppt课件.ppt
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1、第第19章章 热分析热分析热分析的目的热分析的目的 热分析热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如热量的获取或损失、热梯度、它热物理参数,如热量的获取或损失、热梯度、热流密度热流密度(热通量热通量)等等热分析在许多工程应用中扮演重要角色,如内燃热分析在许多工程应用中扮演重要角色,如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等19.1 ANSYS的热分析的热分析u在在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS
2、/ED五种产品中包含热分析功能五种产品中包含热分析功能ANSYS热分析基于热分析基于能量守恒原理的热平衡方程能量守恒原理的热平衡方程,用,用有限元法计算各节点的温度,并导出其它热物理参有限元法计算各节点的温度,并导出其它热物理参数数ANSYS热分析包括热分析包括热传导热传导、热对流热对流及及热辐射热辐射三种热三种热传递方式。此外,还可以分析传递方式。此外,还可以分析相变相变、有内热源有内热源、接接触热阻触热阻等问题等问题19.2 ANSYS的热分析分类的热分析分类vANSYS的热分析分类的热分析分类 稳态传热稳态传热:系统的温度场不随时间变化:系统的温度场不随时间变化瞬态传热瞬态传热:系统的温
3、度场随时间明显变化:系统的温度场随时间明显变化v与热有关的耦合分析与热有关的耦合分析 热结构耦合热结构耦合热流体耦合热流体耦合热电耦合热电耦合热磁耦合热磁耦合热电磁结构耦合等热电磁结构耦合等19.3 热分析的符号与单位热分析的符号与单位项目项目国际单位国际单位英制单位英制单位ANSYS代号代号长度长度mft英尺英尺 时间时间ss 质量质量Kglbm 磅质量磅质量 温度温度oF 力力Nlbf 能量能量(热量热量)JBTU英制热单位 功率功率(热流率热流率)WBTU/sec 热流密度热流密度W/m2BTU/sec-ft2 生热速率生热速率W/m3BTU/sec-ft3 导热系数导热系数W/m-BT
4、U/sec-ft-oFKXX对流系数对流系数W/m2-BTU/sec-ft2-oFHF密度密度Kg/m3lbm/ft3DENS比热比热J/Kg-BTU/lbm-oFC焓焓J/m3BTU/ft3ENTH表征物体吸收的热量,为一个体系的内能与体系的体积和外界施加表征物体吸收的热量,为一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和于体系的压强的乘积之和19.4 传热学经典理论回顾传热学经典理论回顾 19.5 热传递的方式热传递的方式1、热传导、热传导热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的物体的不
5、同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律:交换。热传导遵循付里叶定律:qn=-k*(dT/dx),式,式中中qn为热流密度(为热流密度(W/m2),),k为导热系数为导热系数(W/m-),“-”表示热量流向温度降低的方向。表示热量流向温度降低的方向。2、热对流、热对流热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间,热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间,由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分由于温差的存在引起的热量的交换。热对流可以分为两类:为两类:自然对流自然对流和和强制对流强制对流。热对流用牛顿冷却。热对流用牛顿冷却方程来描述:方程来描述:qn=h*(TS-TB
6、),式中,式中h为对流换热系数为对流换热系数(或称膜传热系数、给热系数、膜系数等或称膜传热系数、给热系数、膜系数等),TS为固体为固体表面的温度,表面的温度,TB为周围流体的温度。为周围流体的温度。19.5 热传递的方式热传递的方式(续续)3、热辐射、热辐射热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高,单位时间辐为热的热量交换过程。物体温度越高,单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质,射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质,而热辐射无须任何介质。实质上,在真空中的热辐而热辐射无须任何介质。实质上,
7、在真空中的热辐射效率最高。射效率最高。在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射,在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射,系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬净热量传递可以用斯蒂芬波尔兹曼方程来计算:波尔兹曼方程来计算:q=A1F12(T14-T24),式中,式中q为热流率,为热流率,为辐射率为辐射率(黑度),(黑度),为斯蒂芬波尔兹曼常数,约为为斯蒂芬波尔兹曼常数,约为5.6710-8W/m2.K4,A1为辐射面为辐射面1的面积,的面积,F12为由为由辐射面辐射面1到辐射面到辐射面2的形状系数,的形状系数,T1
8、为辐射面为辐射面1的绝对的绝对温度,温度,T2为辐射面为辐射面2的绝对温度。由上式可以看出,的绝对温度。由上式可以看出,包含热辐射的热分析是高度非线性的。包含热辐射的热分析是高度非线性的。19.6 稳态传热稳态传热 如果系统的净热流率为,即流入系统的热量加上如果系统的净热流率为,即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量:系统自身产生的热量等于流出系统的热量:q流入流入+q生成生成-q流出流出=0,则系统处于,则系统处于热稳态热稳态。在稳态热分析中。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为平衡方程为(以矩阵形
9、式表示以矩阵形式表示):KT=Q式中:式中:K为传导矩阵,包含导热系数、对流系数为传导矩阵,包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;及辐射率和形状系数;T为节点温度向量;为节点温度向量;Q为为节点热流率向量,包含热生成;节点热流率向量,包含热生成;ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件,生成所施加的边界条件,生成K、T以及以及Q。19.7 瞬态传热瞬态传热瞬态传热过程瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随
10、时间都有明显变化。根据能件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理,瞬态热平衡可以表达为量守恒原理,瞬态热平衡可以表达为(以矩阵以矩阵形式表示形式表示):C +KT=Q式中式中:K为传导矩阵,包含导热系数、对流系为传导矩阵,包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数;数及辐射率和形状系数;C为比热矩阵为比热矩阵,考虑系统内能的增加考虑系统内能的增加;T为节点温度向量;为节点温度向量;为温度对时间的导数为温度对时间的导数;Q为节点热流率向量,包含热生成。为节点热流率向量,包含热生成。TT19.8 线性与非线性线性与非线性如果有下列情况产生,则为非线性热分析:如果有下列情况产生,则为非线性热
11、分析:材料热性能随温度变化,如材料热性能随温度变化,如K(T),C(T)等;等;边界条件随温度变化,如边界条件随温度变化,如h(T)等;等;含有非线性单元;含有非线性单元;考虑辐射传热考虑辐射传热非线性热分析的热平衡矩阵方程为:非线性热分析的热平衡矩阵方程为:C(T)+K(T)T=Q(T)T19.9 边界条件、初始条件边界条件、初始条件ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种:热分析的边界条件或初始条件可分为七种:温度:温度:模型区温度已知模型区温度已知热流率:热流率:热流率已知的点热流率已知的点对流:对流:表面的热传递给周围的流体通过对流。输表面的热传递给周围的流体通过对流。输入对流换
12、热系数入对流换热系数h和环境流体的和环境流体的 平均温度平均温度Tb热辐射:热辐射:通过辐射产生热传递的面通过辐射产生热传递的面.输入辐射系输入辐射系数,数,Stefan-Boltzmann常数,常数,“空间节点空间节点”的温度的温度作为可选项输入作为可选项输入绝热面:绝热面:“完全绝热完全绝热”面,该面上不发生热传递面,该面上不发生热传递热通量:热通量:单位面积上的热流率已知的面单位面积上的热流率已知的面热生成率:热生成率:体的生热率已知的区域体的生热率已知的区域19.10 热分析误差估计热分析误差估计仅用于评估由于网格密度不够带来的误差;仅用于评估由于网格密度不够带来的误差;仅适用于仅适用
13、于SOLID或或SHELL的热单元的热单元(只有温度只有温度一个自由度一个自由度);基于单元边界的热流密度的不连续;基于单元边界的热流密度的不连续;仅对一种材料、线性、稳态热分析有效;仅对一种材料、线性、稳态热分析有效;使用自适应网格划分可以对误差进行控制。使用自适应网格划分可以对误差进行控制。19.11 稳态传热分析稳态传热分析稳态传热稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前,进行稳的影响。通常在进行瞬态热分析以前,进行稳态热分析用于确定初始温度分布。态热分析用于确定初始温度分布。稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定稳态热分
14、析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数密度等参数19.11.1 热分析的单元热分析的单元热分析涉及到的单元有大约热分析涉及到的单元有大约40种,其中纯粹用于种,其中纯粹用于热分析的有热分析的有14种:种:线性线性:LINK32两维二节点热传导单元两维二节点热传导单元 LINK33三维二节点热传导单元三维二节点热传导单元 LINK34二节点热对流单元二节点热对流单元 LINK31二节点热辐射单元二节点热辐射单元二维实体二维实体:PLANE55四节点四边形单元四节点四边形单元 PLANE77八节点四边形单元八节点四
15、边形单元 PLANE35三节点三角形单元三节点三角形单元 PLANE75四节点轴对称单元四节点轴对称单元 PLANE78八节点轴对称单元八节点轴对称单元19.11.1 热分析的单元热分析的单元(续续)三维实体:三维实体:SOLID87六节点四面体单元六节点四面体单元 SOLID70八节点六面体单元八节点六面体单元 SOLID90二十节点六面体单元二十节点六面体单元壳:壳:SHELL57四节点四节点点:点:MASS71ANSYS热分析可分为三个步骤:热分析可分为三个步骤:前处理前处理:建模:建模求解求解:施加载荷计算:施加载荷计算后处理后处理:查看结果:查看结果19.11.3 建模建模确定确定j
16、obname、title、unit;进入进入PREP7前处理,定义单元类型,设定单元前处理,定义单元类型,设定单元选项;选项;定义单元实常数;定义单元实常数;定义材料热性能参数,对于稳态传热,一般只定义材料热性能参数,对于稳态传热,一般只需定义导热系数,它可以是恒定的,也可以随需定义导热系数,它可以是恒定的,也可以随温度变化;温度变化;创建几何模型并划分网格。创建几何模型并划分网格。19.11.3.1 几何尺寸几何尺寸(模型模型)v既可用既可用ANSYS建立模型,也可用其它方法建好模建立模型,也可用其它方法建好模型后导入型后导入v模型建好后,以上两种建模方法的具体过程将不模型建好后,以上两种建
17、模方法的具体过程将不再显示再显示19.11.3.2 划分网格划分网格v首先定义单元属性首先定义单元属性:单元类型单元类型,实常数实常数,材料属性材料属性.单元类型单元类型v下表给出了常用的热单元类型下表给出了常用的热单元类型v每个结点只有一个自由度每个结点只有一个自由度:温度温度19.11.3.2 划分网格划分网格(续续)材料属性材料属性必须输入导热系数必须输入导热系数,KXX如果施加了内部热生成率,则需指定比热如果施加了内部热生成率,则需指定比热(C)ANSYS提供的材料库提供的材料库(/ansys57/matlib)包括几种包括几种常用材料的结构属性常用材料的结构属性 和热属性和热属性,但
18、是建议用户创但是建议用户创建、使用自己的材料库建、使用自己的材料库把优先设置为把优先设置为“热分析热分析”,使材料模型图形用,使材料模型图形用户界面只显示材料的热属性户界面只显示材料的热属性实常数实常数主要应用于壳单元和线单元主要应用于壳单元和线单元19.11.3.2 划分网格划分网格(续续)v划分网格划分网格存储数据文件存储数据文件使用使用 MeshTool 划分网格,使用缺省的智能网格划分网格,使用缺省的智能网格划分级别划分级别6可以生成很好的初始网格可以生成很好的初始网格v至此完成前处理,下面开始求解至此完成前处理,下面开始求解19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算 定义分析类型定义分
19、析类型v如果进行新的热分析:如果进行新的热分析:Command:ANTYPE,STATIC,NEWGUI:Main menuSolution-Analysis Type-New AnalysisSteady-statev如果继续上一次分析,比如增加边界条件等:如果继续上一次分析,比如增加边界条件等:Command:ANTYPE,STATIC,RESTGUI:Main menuSolutionAnalysis Type-Restart19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)施加载荷施加载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件边界条
20、件):a、恒定的温度、恒定的温度通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。Command Family:DGUI:Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Temperature19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)b、热流率、热流率热流率热流率作为节点集中载荷,主要用于线单元模型中作为节点集中载荷,主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷),如果输入的值为正,代表热流流入节点,即单元如果输入的值为正,代表热流流入节点,即单元获取热量。如果温度与热
21、流率同时施加在一节点获取热量。如果温度与热流率同时施加在一节点上则上则ANSYS读取温度值进行计算。读取温度值进行计算。注意注意:如果在实体单元的某一节点上施加热流率,:如果在实体单元的某一节点上施加热流率,则此节点周围的单元要密一些,在两种导热系数则此节点周围的单元要密一些,在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时,差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时,尤其要注意。此外,尽可能使用热生成或热流密尤其要注意。此外,尽可能使用热生成或热流密度边界条件,这样结果会更精确些。度边界条件,这样结果会更精确些。Command Family:FGUI:Main MenuSolutio
22、n-Loads-Apply-Thermal-Heat Flow19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)c、对流、对流对流边界条件作为面载施加于实体的外表面,计算与对流边界条件作为面载施加于实体的外表面,计算与流体的热交换,它仅可施加于实体和壳模型上,对流体的热交换,它仅可施加于实体和壳模型上,对于线模型,可以通过对流线单元于线模型,可以通过对流线单元LINK34考虑对流。考虑对流。Command Family:SFGUI:Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Convection19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)d、热流密度、热流密度
23、热流密度热流密度也是一种面载。当通过单位面积的热流率已也是一种面载。当通过单位面积的热流率已知或通过知或通过FLOTRAN CFD计算得到时,可以在模型计算得到时,可以在模型相应的外表面施加热流密度。如果输入的值为正,相应的外表面施加热流密度。如果输入的值为正,代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳代表热流流入单元。热流密度也仅适用于实体和壳单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面,但单元。热流密度与对流可以施加在同一外表面,但ANSYS仅读取最后施加的面载进行计算。仅读取最后施加的面载进行计算。Command Family:FGUI:Main MenuSolution-Loads-Ap
24、ply-Thermal-Heat Flux19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)e、生热率、生热率生热率生热率作为体载施加于单元上,可以模拟化学反应生作为体载施加于单元上,可以模拟化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。Command Family:BFGUI:Main MenuSolution-Loads-Apply-Thermal-Heat Generat19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)定载荷步选项定载荷步选项对于一个热分析,可以确定普通选项、非线性选项以对于一个热分析,可以确定普通选项、非线性选项以及输出控制
25、。及输出控制。a.普通选项普通选项 时间选项时间选项:虽然对于稳态热分析,时间选项并没有实:虽然对于稳态热分析,时间选项并没有实际的物理意义,但它提供了一个方便的设置载荷步际的物理意义,但它提供了一个方便的设置载荷步和载荷子步的方法。和载荷子步的方法。Command:TIMEGUI:Main MenuSolution-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step/Time and Substps19.11.4 施加载荷计算施加载荷计算(续续)每载荷步中子步的数量或时间步大小每载荷步中子步的数量或时间步大小:对于:对于非线性分析,每一载荷步需要多个子步。非
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