ANSYS熱分析詳解.doc

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1、NoBoundariesANSYS熱分析指南第一章簡(jiǎn)介一、熱分析的目的　　熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱通量〕等。　　熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演重要角色，如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等。二、ANSYS的熱分析·在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五種產(chǎn)品中包含熱分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN不含相變熱分析?！NSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其它熱

2、物理參數(shù)?！NSYS熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。三、ANSYS熱分析分類·穩(wěn)態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化·瞬態(tài)傳熱：系統(tǒng)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間明顯變化四、耦合分析·熱－結(jié)構(gòu)耦合·熱－流體耦合·熱－電耦合·熱－磁耦合·熱－電－磁－結(jié)構(gòu)耦合等——————————————————————————————————————————————NoBoundariesANSYS熱分析指南第二章基礎(chǔ)知識(shí)一、符號(hào)與單位項(xiàng)目國(guó)際單位英制單位ANSYS代號(hào)長(zhǎng)度mft時(shí)間ss質(zhì)量Kglbm溫度℃oF力Nlbf能量（熱量）JBTU功率（熱流率）WBTU/

3、sec熱流密度W/m2BTU/sec-ft2生熱速率W/m3BTU/sec-ft3導(dǎo)熱系數(shù)W/m-℃BTU/sec-ft-oFKXX對(duì)流系數(shù)W/m2-℃BTU/sec-ft2-oFHF密度Kg/m3lbm/ft3DENS比熱J/Kg-℃BTU/lbm-oFC焓J/m3BTU/ft3ENTH二、傳熱學(xué)經(jīng)典理論回顧熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律:l對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出〕式中:Q——熱量;W——作功;——系統(tǒng)內(nèi)能;——系統(tǒng)動(dòng)能；——系統(tǒng)勢(shì)能；l對(duì)于大多數(shù)工程傳熱問題：；l通?？紤]沒有做功：,則：；l對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析：，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量；l對(duì)于瞬態(tài)熱分析：

4、，即流入或流出的熱傳遞速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。三、熱傳遞的方式1、熱傳導(dǎo)　　熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循付里葉定律：，式中——————————————————————————————————————————————NoBoundariesANSYS熱分析指南為熱流密度（W/m2），為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m-℃），“-”表示熱量流向溫度降低的方向。2、熱對(duì)流　　熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對(duì)流可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來描述：，式中h為對(duì)流換熱系

5、數(shù)（或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等），為固體表面的溫度，為周圍流體的溫度。3、熱輻射熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無(wú)須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。在工程中通常考慮兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬—波爾茲曼方程來計(jì)算：，式中為熱流率，為輻射率（黑度），為斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，約為5.67×10-8W/m2.K4，A1為輻射面1的面積，為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)，為輻射面1的絕對(duì)溫度，為輻射面2的

6、絕對(duì)溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。四、穩(wěn)態(tài)傳熱　　如果系統(tǒng)的凈熱流率為０，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：q流入+q生成-q流出=0，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為（以矩陣形式表示）　　式中：為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；為節(jié)點(diǎn)溫度向量；為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成；　　ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成、以及。五、瞬態(tài)傳熱　　瞬態(tài)傳熱過程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個(gè)過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間

7、都有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為（以矩陣形式表示）：式中:為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；為比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加;為節(jié)點(diǎn)溫度向量；——————————————————————————————————————————————NoBoundariesANSYS熱分析指南為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù);為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成。六、線性與非線性　　如果有下列情況產(chǎn)生，則為非