Ansys热分析教程_第三章稳态热分析

绝热对称边界
简化成了最小的可重复2D几何模型。
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/肋骨中的温度场分布 – 钢管/肋骨的对流热损耗 – 绘出钢管/肋骨面上的温度变化情况。 使用轴对称的PLANE55单元划分网格。 在钢管内荆使用带有附加结点的平面效果单元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。
变换文件名为 “stltube”
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 - Steel Tube with Fins” 并单击 “OK”。
建模
单位
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”
稳态热传递
稳态热传递
• • 如果热能流动不随时间变化的话，热传递就称为是稳态的。 由于热能流动不随时间变化, 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:
输入的能量— 输出的能量 = 0
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:
T T T ... k zz k xx k yy q 0 x x y y z z
集中力 面载荷
热流 热生成率
面载荷 体载荷
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。 – 对称边界条件的施加是使边界绝热得到的。
– 如果模型某一区域的温度已知，就可以固定为该数值。
– 响应热流率只在固定温度自由度时使用。
热分析模板
• 相应的有限元平衡方程为:
KT Q
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
– 可以施加到所有结点上，不是一种温度约束。一般只用于施加初始温 度而非约束，在稳态或瞬态分析的第一个子步施加在所有结点上。它 也可以用于在非线性分析中估计随温度变化材料特性的初值。
建模
单位
建模
现在，我们准备开始前处理……….
稳态热传递的例子。
请记住，高亮度的方框中标出了例子的步骤。
前处理：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 有定义单元类型。单击“Add….”开 始添加。
前处理：建模
定义单元类型
选择热实体单元PLANE55作为单元类型, 单击“Apply”。
•
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，检查基本设置。 • 如果需要，定义实参。 • 定义材料特性。 • 生成或导入模型。 • 划分网格。
热分析样板
•
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。 执行求解。
选择一个类别
然后选择本类别 中的单元类型
• • •
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。 如果GUI菜单过滤为热分析，只有热单元类型显示出来。
前处理：建模
查看并选择基本选项
关键选项
• • 关键选项或 KEYOPTs 是与单元类型相关的选项。 查看或修改关键选项的方法是选择下图中的“Options”:
热载荷和边界条件的类型
施加的载荷 温度
载荷分类
约束
实体模型载荷
在关键点上 在线上 在面上 在关键点上 在线上(2D) 在面上(3D) 在线上(2D) 在面上(3D) 在关键点上 在面上 在体上
有限元模型载荷
在结点上 均匀 在结点上 在结点上 在单元上 在结点上 在单元上 在结点上 在单元上 均匀
热流率 对流
• • • • 除了电磁场分析，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，实参和载荷。 再次使用/UNITS并不完成单位制转换。
建模
• • • •
高亮度的方框中标出了例子的步骤。
建模
• 热分析的第一阶段包括建模和划分网格。
• 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 • 定义单元类型和基本选项。 • 查看实参定义。 • 定义材料特性。 • 生成几何模型。
• 划分网格。
建模
设置GUI的菜单过滤选项
分析目标:
稳态热传导分析实例
建模说明: • 内部对流载荷使用平面效 果单元。 • 使用 “在线上施加对流” 施加肋骨外表面上的对流 载荷。 • 在肋骨短部施加热流。 • 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。
•
下面是一个截面。
稳态热传导分析实例
绝热对称边界 对流面 对流面 翅片端部的热流密度
• 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。
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 - 集中载荷(热流)施加在点上
3. 面载荷 -在面上的分布载荷(对流,热流) 4. 体载荷 - 体积或区域载荷
本例中使用钢的热传导率为 0.75 BTU/hr-in-°F
对于均匀各向同性的稳态热 分析，只需要KXX的数值。
前处理：建模
随时间变化的材料特性 对于随时间变化的材料特性，先要定义指定数值所对应的温 度……..
稳态热传导分析实例
例题描述:
• • • • 热气体的温度是600 °F。内部的对流热交换 系数是0.40 BTU/hr-in2-°F。 外部大气温度是100 °F。外部的对流热交换 系数为0.025 BTU/hr-in2-°F。 每个肋骨端部热流为 -20 BTU/in2 。 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) 肋骨上下端面的对流热耗散。
查看PLANE55缺 省的基本选项。
前处理：建模
查看并选择关键选项
使用下拉式菜单查看该单元的基本选项，并选择合适的数值。
改变单元特征。本例题需要轴对称 单元。缺省值为平面单元。
前处理：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。 一个模型中附加的，离开模型表面一定距离的结点，可以用来代表周围流体的介 质温度。该“附加”结点同样对结果评估带来方便。
。
前处理：建模
定义并检查实常数
检查需要的实常数。注意现 在没有定义任何实参。单击 “Add….”开始。
前处理：建模
定义并检查实常数
• 定义实常数:
– 首先选中要定义实常数的单元类型
– 然后，在对话框中输入相应的数字以定义实常数。
注：如果有热生成载 荷（HGEN）施加到 表面效应单元上时， 必须指定厚度。
前处理：建模
定义并查看材料特性 要手工输入材料特性，首先选择Material Models菜单，并双击树 状结构以获得该分析所需的材料行为方式( 均匀各向同性，均匀 各向异性，对温度变化) …….
本例中使用的材料特性是均匀各向同性 的。第一种材料缺省的材料号为1。
前处理：建模
定义并查看材料特性
然后，在对话框中输入需要的数值………..
例题中的单元类型都不需要实常数。
前处理：建模
定义并查看材料特性
稳态热分析中关于材料特性的总体说明
– 对于稳态分析，热材料特性必须输入热传导率“k”-KXX, 和可选的KYY, KZZ。 – – 如果用户不定义，KYY和KZZ缺省等于KXX。 密度(DENS)和比热(C)或热焓(ENTH)在没有质量传递的稳态热分析中不 需要。 – – 随温度变化的材料导热系数k, 使得热分析为非线性。 与温度有关的换热系数也被处理为材料特性。
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。
激活热菜单过滤并单 击 “OK”。
建模
指定文件名 定义新的文件名与其他分析题目区别开来。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。
• 热流率
– 是集中结点载荷。正的热流率表示能量流入模型。热流率同样可以施 加在关键点上。这种载荷通常用于对流和热流不能施加的情况下。施 加该载荷到热传导率有很大差距的区域上时应注意。
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，模拟平面和周围流体之间的热量交换。
• 热流
– 同样是面载荷。使用在通过面的热流率已知的情况下。正的热流值表示热流 输入模型。
ห้องสมุดไป่ตู้注: 本例题实际上不需要 使用平面效果单元，因为每个平面上只有均匀的对流(Hf 和Tb为已知)。但是，在管的内径施加平面效果单元将使得我们在后处理中更方便 地得到热能耗散数值。
前处理：建模
定义单元类型
定义热表面效应单元SURF151。这是本例中的第 二种单元类型。
注意，第二个定义的单元自动定义为单元类型2 。
•
前处理：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，表面效应单元很方便; 基本选项的不同设置使得评 估结果时选项也不相同。
注：表面效应单元在第7章中还有更详细的解释。
前处理：建模
表面效应单元
表面效应单元和对流
• • 对流载荷可以直接施加到表面效应单元，实体单元或几何模型实体上。 在SURF151上使用“附加结点”选项可以在“附加结点”上指定结点温度，相当 于周围介质的温度。
前处理：建模
查看并选择基本选项
查看SURF151单元的缺省基本选项并单击 “Options”。
前处理：建模
查看并选择关键选项
将单元行为从平面改变为轴对称。注意 K4的改变, 移去中间结点；K5的改变, 对 流计算中包含附加结点。结束后单击 “Close” 。
前处理：建模
定义并检查实常数
实常数
• • • • • 实常数是指定单元类型的几何特征。 并不是所有的单元类型都需要实常数。 有些单元类型只有在选择了某些基本选项时才需要实参。 使用ANSYS在线帮助得到更多的关于实参的说明。 第一个定义的实常数缺省指定为 实常数号1
单位
如要获得/UNITS命令的更多说明，请使用线上文档。
在输入窗口输入 “help, /UNITS” 查看 线上文档。
要使用帮助，在输入窗口中输入 “help,xxxxx”; “xxxxx” 可以是单元类型 (77), 命令(/units), 或单元类别(solid)。或 者，使用UtilityMenu>>Help下拉式菜单。
所有使用的命令列表在 jobname.log 文件中。
GUI 和 ANSYS 命令
•
查看ANSYS输 出窗口中命令 执行和文字输 出。
稳态热传导例题说明
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 一个带有举行肋骨的长 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， 热流从肋骨端部释放。.
前处理：建模
定义并查看材料特性
在ANSYS中定义材料特性的选项:
– 在材料特性对话框中输入需要的数值。 – 从ANSYS材料库或用户自定义材料库中读入材料特性。
在定义了材料特性以后，也可以将材料特性写到文件中以备后 用。
前处理：建模
定义并查看材料特性 要从材料库中读入材料特性，只要指定包含所需数据的文件路径 和文件名即可。
热分析样板
•
查看结果
– – – – 进入通用处理器和/或时序后处理器。 使用列表, 绘图, 等查看结果。 查看误差估计。 验证求解。
GUI 和 ANSYS 命令
• •
• •
ANSYS 是命令驱动程序。 ANSYS 命令可以手工输入，或用GUI(Graphical User Interface) 输入或两种方法混用。 GUI提供了一种和ANSYS交流的简单的方法。 GUI根据用户操作自动生成ANSYS命令。