ANSYS(热辐射_第5节)
《热分析ansys教程》课件
05
热分析优化设计
优化设计的基本概念
01
优化设计是一种通过数学模型和计算机技术，寻找满足特定条 件下的最优设计方案的方法。
02
优化设计的基本概念包括目标函数、设计变量、约束条件和求
解算法等。
热分析优化设计是针对热学问题，通过优化设计来提高产品的
03
热性能和降低能耗。
ANSYS优化设计的步骤
定义设计变量
网格质量检查
对生成的网格进行检查， 确保网格质量良好，没有 出现奇异点或扭曲。
边界条件的设置
确定边界条件
根据分析对象的实际情况，确定合适的边界条件，如温度、热流 率等。
设置边界条件
在ANSYS软件中，将确定的边界条件应用到几何模型上。
验证边界条件
对设置的边界条件进行验证，确保其合理性和准确性。
04
傅里叶定律
热量传递与温度梯度成正比，即热流密度与温度梯度 成正比。
牛顿冷却定律
物体表面与周围介质之间的温差与热流密度成正比。
热力学第一定律
能量守恒定律，表示系统能量的增加等于传入系统的 热量与系统对外界所做的功之和。
热分析的三种基本类型
稳态热分析
系统达到热平衡状态时的温度分布。
瞬态热分析
系统随时间变化的温度分布。
网格划分问题
网格划分不均匀
在某些区域，网格可能过于密集，而 在其他区域则可能过于稀疏，这可能 导致求解精度下降或求解失败。
网格自适应调整问题
在某些情况下，ANSYS可能无法正确 地自适应调整网格，导致求解结果不 准确。
网格划分问题
手动调整网格
手动调整网格密度，确保在关键区域有足够的网格密度。
使用更高级的网格划分工具
ansys教程完整
输入 显示提示信息，输入 ANSYS命令，所有输入 的命令将在此窗口显示 。
应用菜单 包含例如文件管理、选 择、显示控制、参数设 置等功能.
主菜单 包含ANSYS的主要功能 ，分为前处理、求解、 后处理等。
工具条 将常用的命令制成工具 条，方便调用.
输出 显示软件的文本输出。 通常在其他窗口后面， 需要查看时可提到前面 。
6. 声学分析 ●定常分析 ●模态分析 ●动力响应分析 7. 压电分析 ●稳态、瞬态分析 ●模态分析 ●谐响应分析 8. 多场耦合分析 ●热－结构 ● 磁－热 ●磁－结构 ●流体－热 ●流体－结构 ●热－电 ●电－磁－热－流体－结构
9. 优化设计及设计灵敏度分析 ●单一物理场优化 ●耦合场优化 10.二次开发功能 ●参数设计语言 ●用户可编程特性 ●用户自定义界面语言 ●外部命令
启动ANSYS
Objective
1-1. 启动ANSYS软件.
要启动ANSYS: 开始> 程序 > ANSYS 12.1 >Mechnical APDL Product Launcher
启动ANSYS(续)
当显示出这六个窗 口后，就可以使用 ANSYS了.
ANSYS窗口
1-2. ANSYS GUI中六个窗口的总体功能
5. 流体动力学分析 ● 定常/非定常分析 ●层流/湍流分析 ●自由对流/强迫对流/混合对流分析 ●可压缩流/不可压缩流分析 ●亚音速/跨音速/超音速流动分析 ●任意拉格郎日－欧拉分析（ALE） ●多组份流动分析（多达6组份） ●牛顿流与非牛顿流体分析 ●内流和外流分析 ●共轭传热及热辐射边界 ●分布阻尼和风扇模型 ●移动壁面及自由界面分析
Volumes Areas
ANSYS热分析分析指南
ANSYS热分析指南第一章 简介 (2)第二章 基础知识 (4)第三章 稳态热分析 (8)第四章 瞬态热分析 (43)第五章 表面效应单元 (66)第六章 热辐射分析 (90)第七章 热应力分析 (120)第一章 简介1.1 热分析的目的热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，我们一般关心的参数有：温度的分布热量的增加或损失热梯度热流密度热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等等。
通常在完成热分析后将进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩而引起的热应力。
1.2 ANSYS中的热分析ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Professional、ANSYS/FLOTRAN四种产品中支持热分析功能。
ANSYS热分析基于由能量守恒原理导出的热平衡方程，有关细节，请参阅《ANSYS Theory Reference》。
ANSYS使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数。
ANSYS可以处理所有的三种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。
1.2.1 对流热对流在ANSYS中作为一种面载荷，施加于实体或壳单元的表面。
首先需要输入对流换热系数和环境流体温度，ANSYS将计算出通过表面的热流量。
如果对流换热系数依赖于温度，可以定义温度表，以及在每一个温度点处的对流换热系数。
1.2.2 辐射ANSYS提供了四种方法来解决非线性的辐射问题：辐射杆单元（LINK31）使用含热辐射选项的表面效应单元（SURF151-2D,或SURF152-3D）在AUX12中，生成辐射矩阵，作为超单元参与热分析使用Radiosity求解器方法有关辐射的详细描述请阅读本指南第四章。
1.2.3 特殊的问题除了前面提到的三种热传递方式外，ANSYS热分析还可以解决一些诸如：相变（熔融与凝固）、内部热生成（如焦耳热）等的特殊问题。
ansys辐射分析
6.9.4计算并验证形状系数选项然后可以计算形状系数，并验证和得到平均值。
计算并存储形状系数：命令：VFCALCGUI：Main Menu>Radiation>Compute可用如下命令列出所选择单元对的形状系数并计算平均系数：命令：VFQUERYGUI:Main Menu>Radiation>Query用如下命令可将平均系数提取出来：*GET,Par,RAD,VFAVG6.9.5设定载荷选项如果模型有均匀的温度，本步将设定初始温度。
还需要定义载荷步并将边界条件的变化形式设定为渐变。
对所有节点设定初始的均匀温度命令：TUNIFGUI:Main Menu>Solution>Settings>Uniform Temp设定载荷步数量或时间步命令： SUBST或DELTIMGUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequenc>Freq and Substps or Time and Substps Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequenc>Time-Time Step由于热辐射是高度非线性的，应设定渐变的边界条件命令： KBCGUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequency>Time-Time Step6.10静态热辐射分析的几点建议对于只有热流密度(HFLUX)或热流率（HEAT）边界条件的热辐射问题，或热辐射作为热传递主导方式的问题（即低导热系数），应采用“伪瞬态”求解方法来求解静态问题。
主要有如下三个步骤：1．在定义材料属性时，定义材料的密度和比热为常值。
设定这两个材料值的大小并不重要，因为最终是求解稳态问题；2．将求解类型设定为瞬态问题命令：ANTYPTGUI:Main Menu>Solution>New Analysis3．将准静态辐射分析求解为稳态问题命令：QSOPTGUI:Main Menu>Preprocessor>-Load StepOptions->Time/Frequency>Quasi-Static只有当SOLCONTROL,ON时，QSOPT命令才有效。
热分析(ansys教程)
线性与非线性
如果有下列情况产生，则为非线性热分析： ① 材料热性能随温度变化，如K(T),C(T)等； ② 边界条件随温度变化，如h(T)等； ③ 含有非线性单元； ④ 考虑辐射传热 非线性热分析的热平衡矩阵方程为： [C(T)]{ T }+[K(T)]{T}={Q (T)}
边界条件、初始条件
建模
①确定jobname、title、unit； ②进入PREP7前处理，定义单元类型，设定单元 选项； ③定义单元实常数； ④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 温度变化； ⑤创建几何模型并划分网格。
几何尺寸(模型)
既可用ANSYS建立模型，也可用其它方法建好模 型后导入 模型建好后，以上两种建模方法的具体过程将不 再显示
瞬态传热
瞬态传热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 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 ( 以矩阵 形式表示)：[C]{ }+[K]{T}={Q} T 式中 :[K] 为传导矩阵，包含导热系数、对流系 数及辐射率和形状系数； [C]为比热矩阵,考虑系统内能的增加; {T}为节点温度向量； { T }为温度对时间的导数; {Q}为节点热流率向量，包含热生成。
划分网格(续)
材料属性
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 (C) ANSYS提供的材料库 (/ansys57/matlib)包括几种
常用材料的结构属性 和热属性, 但是建议用户创 建、使用自己的材料库 把优先设置为 “热分析” ，使材料模型图形用 户界面只显示材料的热属性
热传递的方式(续)
ANSYS热辐射解析
第六章热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。
电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。
热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。
由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。
物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-8 6.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。
式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。
表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dA I及dA J，然后进行数字积分。
辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。
在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。
Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。
ANSYS热分析指南——ansys热辐射分析-47页精选文档
ANSYS热分析指南(第六章)第六章热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。
电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。
热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。
由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。
物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-86.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。
式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。
表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dAI 及dAJ，然后进行数字积分。
辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。
在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。
Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。
Ansys热分析教程(全)
目录第1章–介绍–概述–相关讲座&培训–其他信息来源第2章–基本概念第3章–稳态热传导(n o m a s s t r a n s p o r t o f h e a t)第4章–附加考虑非线性分析第5章–瞬态分析1-3 1-5 1-12 1-132-13-14-15-1第6章–复杂的,时间和空间变化的边界条件第7章–附加对流/热流载荷选项和简单的热/流单元第8章–辐射热传递–例题-使用辐射矩阵的热沉分析第9章–相变分析–相变分析例题-飞轮铸造分析第10章–耦合场分析6-1 7-18-1 8-43 9-1 9-14 10-1目录(续)第1章先决条件1章节内容概述12章节内容概述213章节内容概述310124章节内容概述43546章节内容概述6571章节内容概述7689章节内容概述1072相关讲座&培训2tT c h K Q qq E============t i m e t e m p e r a t u r e d e n s i t y s p e c i f i c h e a t f i l m c o e f f i c i e n t e m i s s i v i t y S t e f a n -B o l t z m a n n c o n s t a n t t h e r m a l c o n d u c t i v i t y h e a t f l o w (r a t e ) h e a t f l u x i n t e r n a l h e a t g e n e r a t i o n /v o l u m e e n e r g y ρεσ*&&&fA N S Y S()3223注,对于结构热容量,密度/G c和比热*G c经常使用该单位。
其中G c=386.4(l b m-i n c h)/(l b f-s e c2)A N S Y S(S I)3223–传导–对流–辐射•传导的热流由传导的傅立叶定律决定�•负号表示热沿梯度的反向流动(i .e ., 热从热的部分流向冷的).q K T n K T T n n n n n *=−∂∂=∂∂=h e a t f l o w r a t e p e r u n i t a r e a i n d i r e c t i o n n Wh e r e , = t h e r m a l c o n d u c t i v i t y i n d i r e c t i o n n= t e m p e r a t u r e t h e r m a l g r a d i e n t i n d i r e c t i o n n Tnq*dT d n•对流的热流由冷却的牛顿准则得出:•对流一般作为面边界条件施加qh T T h T T f S B f S B *()=−=h e a t f l o w r a t e p e r u n i t a r e a b e t w e e n s u r f a c e a n d f l u i d W h e r e , = c o n v e c t i v e f i l m c o e f f i c i e n t= s u r f a c e t e m p e r a t u r e = b u l k f l u i d t e m p e r a t u r e TB Ts•从平面i 到平面j 的辐射热流由施蒂芬-玻斯曼定律得出: •在A N S Y S 中将辐射按平面现象处理(i .e ., 体都假设为不透明的)。
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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。
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SURF151 实常数:FORMF(角系数)、SBCONST（Stefan-
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3
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。
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热辐射计算方程：
两个表面之间的热辐射计算公式为：
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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
、
i ：有效热辐射率；
A i ：表面I的面积；、
Ti
Tj
：表面I与表面J的绝对温度值。
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5.2 热辐射问题分析
ANSYS提供了三种方法分析热辐射问题：
4
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:
E q T4
A
q
q
Diffuse Surface
Spectral Surface
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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:
（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：
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.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
体载荷：生热率
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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。
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
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角系数Fij具有以下特征：
与面距离的平方成反比；
ANSYS(热辐射_第5节)
5 热辐射分析
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2
5 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 100 mm。
有效的辐射表面面积
角系数
辐射率
Stefan-bolzmann常数。
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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
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
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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。
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。
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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= Aj Fji
Qij (Ti4Tj4)
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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 = 1
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。
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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:
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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。
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。
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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: