热分析基础.ppt

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1、Training Manual热分析热分析热分析热分析INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manuall热分析目的热分析目的 热分析用于计算一个系统和部件的温度分布及其它热物理参数热分析用于计算一个系统和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、热流密度如热量的获取或损失、热梯度、热流密度(热通量热通量)等。等。l热传导的三种基本类型热传导的三种基本类型1)传导传导:两个良好接触的物体之间或一个物体内部不同部分之间由于两个良好接触的物体之间或一个物体内部不同部分之间由于 温度梯度引起的能量交

2、换。温度梯度引起的能量交换。2)对流对流:在物体和周围流体之间发生的热交换。在物体和周围流体之间发生的热交换。3)辐射辐射:一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。ANSYS热分析基础热分析基础INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualA.基本概念基本概念-符号及意义符号及意义符号及意义符号及意义时间时间温度温度密度密度比热比热对流换热系数对流换热系数吸收率吸收率施蒂芬施蒂芬-玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数热导率热导率热流率热流率热流密度热流密度内部热生

3、成内部热生成热热(能量能量)INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualA.基本概念基本概念-国际单位国际单位国际单位国际单位温度温度热流率热流率热传导率热传导率密度密度比热比热对流换热系数对流换热系数热通量热通量(热流密度热流密度)温度梯度温度梯度内部热生成内部热生成Degrees C(or K)WattsWatts/(meter.degree C)kilogram/(meter3)(Watt.sec)/(kilogram.degree C)Watt/(meter2.degree C)Watt/(met

4、er2)degree C/meterWatt/(meter3)INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualA.基本概念基本概念-英制单位英制单位英制单位英制单位温度温度热流率热流率热传导率热传导率密度密度比热比热对流换热系数对流换热系数热通量热通量(热流密度热流密度)温度梯度温度梯度内部热生成内部热生成Degrees F(or R)BTU/hrBTU/(hr inch degree F)lbm/(inch3)BTU/(lbm degree F)BTU/(hr inch2 degree F)BTU/(hr

5、inch2)degree F/inchBTU/(hr inch3)INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualB.热传递的三种类型热传递的三种类型-传导传导传导传导l传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定：传导引起的热通量流由传导的傅立叶定律决定：l负号表示热量沿梯度的反向流动负号表示热量沿梯度的反向流动 (例如例如,热量从热的部分流向冷的部分热量从热的部分流向冷的部分).Tnq*dTdnINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Traini

6、ng ManualB.热传递的三种类型热传递的三种类型-对流对流对流对流l对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出对流引起的热通量由冷却牛顿定律得出:l对流一般作为面边界条件施加对流一般作为面边界条件施加TsTBINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualB.热传递的三种类型热传递的三种类型-辐射辐射辐射辐射l从面从面 i 到面到面 j 的辐射热通量由施蒂芬的辐射热通量由施蒂芬-玻耳兹曼定律得出玻耳兹曼定律得出:l在在ANSYS中将辐射按表面现象处理中将辐射按表面现象处理(即体都假设为不透明即体都假设为不透明)

7、。ijINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manuall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。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。l能量守恒在一个微小的时间增量下可以表示为方程形式能量守恒在一个微小的时间增量下可以表示为方程形式l将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。将其应用到一个微元体上，就可以得到热传导的控制微分方程。C.热力学第一定律热力学第一定律INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS

8、 11.0Training ManualD.热传递分析的非线性热传递分析的非线性当比热矩阵、热传导率矩阵和当比热矩阵、热传导率矩阵和/或等效节点热流向量是温度的函数或等效节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下面几项都可以使得分析包括非线性:与温度相关的材料特性与温度相关的材料特性与温度相关的对流换热系数与温度相关的对流换热系数使用辐射单元使用辐射单元与温度相关的热源与温度

9、相关的热源（热通量流）热通量流）使用耦合场单元使用耦合场单元（假设载荷向量耦合假设载荷向量耦合）INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualD.稳态热分析稳态热分析若热能流动不随时间而变化若热能流动不随时间而变化,就称热传递是稳定的。由于热能流动就称热传递是稳定的。由于热能流动不随时间变化不随时间变化,系统的温度和热载荷也都不随时间变化系统的温度和热载荷也都不随时间变化,因此稳态热因此稳态热平衡满足热力学每一定律。相应的有限元平衡方程为平衡满足热力学每一定律。相应的有限元平衡方程为:INTRODUCTIO

10、N TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual2.热分析的基本步骤热分析的基本步骤介绍热分析基本步骤介绍热分析基本步骤1)前处理前处理:建模建模(?)2)求解求解:施加载荷进行求解施加载荷进行求解3)后处理后处理:查看结果查看结果目的：目的：重温一般分析过程步骤重温一般分析过程步骤介绍热荷载和边界条件介绍热荷载和边界条件INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manuall几何模型几何模型l可以在可以在 ANSYS 中建立或输入。中建立或输入。l包

11、含改善模型的细节：包含改善模型的细节：目的是充分模拟结构的热量。目的是充分模拟结构的热量。对流荷载需要施加到准确模拟的面。对流荷载需要施加到准确模拟的面。热生成荷载需要施加到准确模拟的体。热生成荷载需要施加到准确模拟的体。A.前处理前处理-几何模型几何模型几何模型几何模型INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual单元类型单元类型下表为常用的热单元类型。下表为常用的热单元类型。节点自由度是：节点自由度是：TEMP。常用的热单元类型常用的热单元类型A.前处理前处理-网格处理网格处理网格处理网格处理INTRO

12、DUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualA.前处理前处理-网格处理网格处理网格处理网格处理材料特性材料特性至少需要至少需要 Kxx 稳态分析热传导系数。稳态分析热传导系数。如果施加内部热生成，则需要比热如果施加内部热生成，则需要比热(C)。优先设置为优先设置为“thermal”（热分析），在热分析），在 GUI 方式中只显示热材料方式中只显示热材料特性。特性。实常数实常数主要用于壳和线单元。主要用于壳和线单元。INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.

13、0Training Manual热荷载可以是：热荷载可以是：温度温度模型中温度已知的范围。模型中温度已知的范围。热流热流热流率已知的点。热流率已知的点。热通量热通量单位面积上热流率已知的表面。单位面积上热流率已知的表面。对流对流热通过表面对流传给周围流体（或传入）热通过表面对流传给周围流体（或传入）。输输入对流换热系数入对流换热系数 h，流体的平均温度流体的平均温度 Tb。热生成热生成体热生成率已知的范围。体热生成率已知的范围。绝热面绝热面“绝热面绝热面”，该面不发生热传递。该面不发生热传递。辐射辐射通过辐射产生热传递的面，输入辐射系数，通过辐射产生热传递的面，输入辐射系数，Stefan-Bo

14、ltzmann常数，常数，“空间节点空间节点”温度作为温度作为可选项输入。可选项输入。B.求解求解-载荷类型载荷类型载荷类型载荷类型INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual不同于结构分析的位移和力边界条件，热分析的温度和热流边界条不同于结构分析的位移和力边界条件，热分析的温度和热流边界条件不依赖于节点坐标系。件不依赖于节点坐标系。B.求解求解-节点坐标系节点坐标系节点坐标系节点坐标系INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training

15、 Manual温度约束温度约束在模型上给定已知温度。在模型上给定已知温度。施加温度约束：施加温度约束：Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Temperature选择施加约束的实体类型。选择施加约束的实体类型。在图形窗口拾取相应的实体。在图形窗口拾取相应的实体。然后输入温度值，缺省值为零。然后输入温度值，缺省值为零。或使用或使用 D 系列命令：系列命令：DK,DL,DA,D.B.求解求解-温度约束温度约束温度约束温度约束INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training

16、Manual施加热流，需要给出以下信息：施加热流，需要给出以下信息：节点或关键点号（也可以拾取）节点或关键点号（也可以拾取）热流值热流值(单位必须与采用的单位制一致）单位必须与采用的单位制一致）使用：使用：Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Heat Flow或用命令或用命令 FK 或或 FB.求解求解-集中热流集中热流集中热流集中热流集中载荷集中载荷集中载荷集中载荷Heat flow Heat flow Heat flow Heat flow 热流率热流率热流率热流率(功率功率功率功率)国际单位国际单位国际单位国际单位:W(:W(:W(

17、:W(瓦瓦瓦瓦)INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual热通量：热通量：施加热通量：施加热通量：Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Heat flux选择施加热通量的实体模型，选择施加热通量的实体模型，2-D模型模型一般在线上，一般在线上，3-D 模型在面上。模型在面上。在图形窗口拾取相应实体。在图形窗口拾取相应实体。然后输入热通量值。然后输入热通量值。或使用或使用 SF 系列命令：系列命令：SFL,SFA,SFE,SF。B.求解求解-热通量热通

18、量热通量热通量分布载荷分布载荷分布载荷分布载荷Heat flux Heat flux Heat flux Heat flux 热通量热通量热通量热通量(热流密度热流密度热流密度热流密度)国际单位国际单位国际单位国际单位:W/m:W/m:W/m:W/m2 2 2 2INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual对流荷载对流荷载施加对流：施加对流：Main Menu Solution Define Loads Apply Thermal Convection选择施加对流的实体模型，通常选择施加对流的实体模型，通

19、常 2-D 模型是在线上，模型是在线上，3-D 模型是在面上。模型是在面上。在图形窗口中拾取所需实体。在图形窗口中拾取所需实体。然后输入对流换热系数和环境温度值。然后输入对流换热系数和环境温度值。或使用或使用 SF 系列命令：系列命令：SFL,SFA,SFE,SF。B.求解求解-对流对流对流对流INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual热生成热生成施加热生成：施加热生成：Maine Menu Solution Define Loads Apply Thermal Heat Generation选择施加热

20、生成的实体模型，通选择施加热生成的实体模型，通常对常对 2-D 模型是在面上，模型是在面上，3-D 模模型是在体上。型是在体上。在图形窗口拾取相应的实体。在图形窗口拾取相应的实体。然后输入热生成值。然后输入热生成值。或使用或使用 BF 系列命令：系列命令：BFL,BFA,BFE,BF。B.求解求解-热生成热生成热生成热生成INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual绝热面绝热面“完全绝热完全绝热”面，该面不发生任何热传递。面，该面不发生任何热传递。这是缺省条件，即，没有指定边界条件的任何面自动作为绝热面这

21、是缺省条件，即，没有指定边界条件的任何面自动作为绝热面处理。处理。对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。B.求解求解-绝热面绝热面绝热面绝热面INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual改变和删除荷载改变和删除荷载改变荷载值，只需用新的荷载代替原来荷载即可。改变荷载值，只需用新的荷载代替原来荷载即可。删除荷载：删除荷载：Main Menu Solution Define Loads Delete删除实体模型荷载时，删除实体模型荷载时，ANSYS 自动删除所有相应的自动

22、删除所有相应的有限元荷载有限元荷载B.求解求解-改变和删除载荷改变和删除载荷改变和删除载荷改变和删除载荷INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual稳态与瞬态分析稳态与瞬态分析l稳态分析，假定荷载是稳定状态，几乎不随时间变化。稳态分析，假定荷载是稳定状态，几乎不随时间变化。l瞬态分析，指荷载随时间而变化。瞬态分析，指荷载随时间而变化。l例如，假定分析电熨斗，开始例如，假定分析电熨斗，开始1 分钟到温度不再变化的热状态。分钟到温度不再变化的热状态。电熨斗开始一分钟的运行状态应该是瞬态分析。电熨斗开始一分钟的

23、运行状态应该是瞬态分析。而后到温度不再变化是稳态分析。而后到温度不再变化是稳态分析。B.求解求解-求解选择求解选择求解选择求解选择INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manuall热分析结果观察一般包括：热分析结果观察一般包括：温度分布温度分布热梯度分布热梯度分布热流通量分布热流通量分布C.后处理后处理-观察结果观察结果观察结果观察结果INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual温度分布：温度分布：画温度等值线图：画温度

24、等值线图：General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solution Temperature或使用或使用 PLNSOL 命令。命令。C.后处理后处理-观察结果观察结果观察结果观察结果(温度分布温度分布温度分布温度分布)INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual热梯度：热梯度：画热梯度等值线图：画热梯度等值线图：General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu或用或用 PLNSOL 命令命令G

25、eneral Postproc Plot Results Contour Plot Element Solu或用或用 PLESOL 命令命令C.后处理后处理-观察结果观察结果观察结果观察结果(热梯度热梯度热梯度热梯度)INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual热通量：热通量：画热通量等值线图：画热通量等值线图：General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu或用或用 PLNSOL 命令命令General Postproc Plot Results

26、 Contour Plot Element Solu或用或用 PLESOL 命令命令C.后处理后处理-观察结果观察结果观察结果观察结果(热通量热通量热通量热通量)INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual反向热流反向热流反向热流率之和必须与施加的热流率之和相等。反向热流率之和必须与施加的热流率之和相等。最好列表检查：最好列表检查：General Postprocessor List Results Reaction Solution或用或用 PRRSOL 命令。命令。C.后处理后处理-观察结果观察结果观

27、察结果观察结果(反向热流反向热流反向热流反向热流)INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manuall检查结果，以确信解是可靠的。根据求解问题的类型，确定要检查的内检查结果，以确信解是可靠的。根据求解问题的类型，确定要检查的内容。但是，有几个典型问题值得注意：容。但是，有几个典型问题值得注意：l有限元计算结果与手工计算或实验数据是否一致？有限元计算结果与手工计算或实验数据是否一致？l温度解是否正确？应先检查温度解是否正确？应先检查 FEA 温度解，因为温度解，因为 FEA 热通量是二阶结果。热通量是二阶结果。l

28、反向热流是否与施加的热流平衡？反向热流是否与施加的热流平衡？l最大热流位置在哪儿？最大热流位置在哪儿？如果热流奇异，例如是点荷载或凹角处，热流值通常没有意义。如果热流奇异，例如是点荷载或凹角处，热流值通常没有意义。C.后处理后处理-检查结果检查结果检查结果检查结果INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual网格精度是否足够？网格精度是否足够？这始终是一个有争议的问题，但可以通过误差估计来确定网格精度这始终是一个有争议的问题，但可以通过误差估计来确定网格精度是否足够是否足够.其它检查网格精度的方法：其它检查

29、网格精度的方法：画单元解（非平均结果），发现热通量梯度高的单元，这些单元画单元解（非平均结果），发现热通量梯度高的单元，这些单元所在位置是网格应该细分的区域。所在位置是网格应该细分的区域。如果节点（平均）和单元（非平均）的热通量等值图有较大差别，如果节点（平均）和单元（非平均）的热通量等值图有较大差别，则网格可能太粗。则网格可能太粗。同样，若同样，若 PowerGraphics 与与 full graphics 方式显示的热通量有显方式显示的热通量有显著区别，网格划分可能太粗。著区别，网格划分可能太粗。将单元细分为原来的两倍，然后求解比较结果（这通常不一定可将单元细分为原来的两倍，然后求解比较

30、结果（这通常不一定可行）。行）。C.后处理后处理-检查结果检查结果检查结果检查结果(续续续续)INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual3.练习练习问题描述问题描述1个内、外径分别为个内、外径分别为d1=180mm和和d2=220mm的蒸汽管道的蒸汽管道,管外包有一管外包有一层层=120mm的保温层的保温层,蒸气管的热导率为蒸气管的热导率为1为为40W/(m.K),保温层的热保温层的热导率导率2为为0.1W/(m.K);管道内蒸汽温度管道内蒸汽温度t1=300,保温层外壁温度保温层外壁温度t0=25;两

31、侧的表面传热系数为两侧的表面传热系数为h1=100W/(m2.K),h0=8.5W/(m2.K),下图几何下图几何模型和简化的计算模型。计算温度分布。模型和简化的计算模型。计算温度分布。INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual练习练习-温度分布温度分布温度分布温度分布平面分析结果平面分析结果平面分析结果平面分析结果三维分析结果三维分析结果三维分析结果三维分析结果INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual练习练习-命令流命令流命令流命令流(二维二维二维二维)INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual练习练习-命令流命令流命令流命令流(三维三维三维三维)