ANSYS热分析指南

ANSYS热分析指南

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。

1.2ANSYS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。例如，可使用热质点单元MASS71模拟随温度变化的内部热生成。

1.3热分析的类型

ANSYS支持两种类型的热分析：

1．稳态热分析确定在稳态的条件下的温度分布及其他热特性，稳态条件指热量随时间的变化可以忽略。

2．瞬态热分析则计算在随时间变化的条件下，温度的分布和热特性。

1.4耦合场分析

ANSYS中可与热分析进行耦合的方式有热—结构、热－电磁等。耦合场分析可以使用ANSYS中的矩阵耦合单元，或者在独立的物理环境中使用序惯荷载耦合。有关耦合场分析的详细描述，请参阅《ANSYS Coupled-Field Analysis Guide》。

1.5关于菜单路径和命令语法

在本指南中，您将会看到相关的ANSYS命令及其等效的菜单路径。这些参考的命令仅仅包括命令名，因为并不总是需要指定所有的参数，而且不同的参数组合会有不同的作用。有关ANSYS命令的更多的叙述，请参考《ANSYS Commands Reference》。

菜单路径将近可能完整得列出。对于多数情况，选择菜单就能够完成所需要的功能；但还有一些情况，选择文中所示菜单后会弹出一个菜单或是对话框，由此定义其他的选项来执行一些特定的任务。

第二章基础知识

2.1符号与单位

时间s s

质量Kg lbm

温度℃o F TEMP

力N lbf

能量（热量）J BTU

功率（热流率）W BTU/sec HEAT

热流密度W/m2BTU/sec-ft2HFLUX

生热速率W/m3BTU/sec-ft3HGEN

导热系数W/m-℃BTU/sec-ft-o F KXX

对流系数W/m2-℃BTU/sec-ft2-o F HF

密度Kg/m3lbm/ft3DENS

比热J/Kg-℃BTU/lbm-o F C

焓J/m3BTU/ft3ENTH 2.2传热学经典理论回顾

热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律。

对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出）：

式中：—热量

—作功

—系统内能

—系统动能

—系统势能

对大多数工程传热问题：；

通常不考虑做功：，则；

对于稳态热分析：，即流入的热量等于流出的热量；

对于瞬态热分析：，即流入流出的热传递速率等于系统内能的变化。

2.3热传递的方式

2.3.1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物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循傅立叶定律：，式中为热流密度（W/m2），为导热系数(W/m-℃)，负号表示热量流向温度降低的方向。

2.3.2热对流

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。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描

述：，式中为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）；为固体表面的温度，为周围流体的温度。

2.3.3热辐射

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，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—波尔兹曼方程来计算：

，式中为热流率，为辐射率（黑度），为斯蒂芬－波尔兹曼常数，约为约为5.67×10-8W/m2.K4，为辐射面1的面积，为由辐射

面1到辐射面2的形状系数，为辐射面1的绝对温度，为辐射面2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。

2.4稳态传热