ansys-热分析-瞬态-稳态

2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-1ANSYS热分析Guidelines2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-2目录第一章简介一、热分析的目的二、ANSYS的热分析三、ANSYS热分析分类四、耦合分析第二章基础知识一、符号与单位二、传热学经典理论回顾三、热传递的方式四、稳态传热五、瞬态传热六、线性与非线性七、边界条件、初始条件八、热分析误差估计Guidelines2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-3目录（续）第三章稳态传热分析一、稳态传热的定义二、热分析的单元三、ANSYS稳态热分析的基本过程练习第四章瞬态传热分析一、瞬态传热分析的定义二、瞬态热分析的单元及命令三、ANSYS瞬态热分析的主要步骤1、建模2、加载求解3、后处理四、相变问题练习Guidelines2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-4第一章热分析简介2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-5在完成本章学习后，我们应该对热分析的基本概念有所了解，并了解它的基本分类。ModuleObjective第一讲热分析的目的第二讲ANSYS的热分析第三讲ANSYS热分析分类第四讲耦合分析LessonObjectives目标2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-6热分析的目的P-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，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。ObjectiveDefinition2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-7ANSYS的热分析P-2.ANSYS的热分析•在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能。·ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。·ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。Objective2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-8ANSYS的热分析分类P-3.ANSYS的热分析分类•稳态传热：系统的温度场不随时间变化•瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化ObjectiveGuidelines2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-9耦合分析P-4.与热有关的耦合分析·热－结构耦合·热－流体耦合·热－电耦合·热－磁耦合·热－电－磁－结构耦合等ObjectiveGuidelines2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-10第二章基础知识2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-11本章学习，我们简单介绍热分析的基础知识，以助于大家对以后的热分析有个大体概念。ModuleObjective第一讲、符号与单位第二讲、传热学经典理论回顾第三讲、热传递的方式第四讲、稳态传热第五讲、瞬态传热第六讲、线性与非线性第七讲、边界条件、初始条件第八讲、热分析误差估计LessonObjectives目标2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-12第一讲、符号与单位项目国际单位英制单位ANSYS代号长度mft[英尺]时间ss质量Kglbm[磅质量]温度℃oF力Nlbf能量（热量）JBTU[英制热单位]功率（热流率）WBTU/sec热流密度W/m2BTU/sec-ft2生热速率W/m3BTU/sec-ft3导热系数W/m-℃BTU/sec-ft-oFKXX对流系数W/m2-℃BTU/sec-ft2-oFHF密度Kg/m3lbm/ft3DENS比热J/Kg-℃BTU/lbm-oFC焓J/m3BTU/ft3ENTH表征物体吸收的热量，为一个体系的内能与体系的体积和外界施加于体系的压强的乘积之和2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-13第二讲、传热学经典理论回顾2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-14第三讲、热传递的方式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。热传导遵循付里叶定律：qn=-k*(dT/dx)，式中qn为热流密度（W/m2），k为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。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：qn=h*(TS-TB)，式中h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等），TS为固体表面的温度，TB为周围流体的温度。Definition2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-15第三讲、热传递的方式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：q=εσA1F12(T14-T24)，式中q为热流率，ε为辐射率（黑度），σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数，约为5.67×10-8W/m2.K4，A1为辐射面1的面积，F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数，T1为辐射面1的绝对温度，T2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。Definition2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-16第四讲、稳态传热如果系统的净热流率为０，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q流入+q生成-q流出=0，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）[K]{T}={Q}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；{T}为节点温度向量；{Q}为节点热流率向量，包含热生成；ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[K]、{T}以及{Q}。Guidelines2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-17第五讲、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}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；{}为温度对时间的导数;{Q}为节点热流率向量，包含热生成。TTGuidelines2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-18第六讲、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)]{}+[K(T)]{T}={Q(T)}TGuidelines2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-19第七讲、边界条件、初始条件ANSYS热分析的边界条件或初始条件可分为七种：温度;热流率;热流密度;对流;辐射;绝热;生热。Guidelines2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-20第八讲、热分析误差估计·仅用于评估由于网格密度不够带来的误差；·仅适用于SOLID或SHELL的热单元（只有温度一个自由度）；·基于单元边界的热流密度的不连续；·仅对一种材料、线性、稳态热分析有效；·使用自适应网格划分可以对误差进行控制。Guidelines2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-21第三章稳态传热分析2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-22本章学习，我们将介绍稳态传热分析的知识，以助于大家了解以后的稳态传热分析，并能对简单的问题进行求解。ModuleObjective第一讲、稳态传热的定义第二讲、热分析的单元第三讲、ANSYS稳态热分析的基本过程练习LessonObjectives目标2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-23第一讲、稳态传热的定义稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数Definition2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-24第二讲、热分析的单元热分析涉及到的单元有大约40种，其中纯粹用于热分析的有14种：线性：LINK32两维二节点热传导单元LINK33三维二节点热传导单元LINK34二节点热对流单元LINK31二节点热辐射单元二维实体：PLANE55四节点四边形单元PLANE77八节点四边形单元PLANE35三节点三角形单元PLANE75四节点轴对称单元PLANE78八节点轴对称单元三维实体SOLID87六节点四面体单元SOLID70八节点六面体单元SOLID90二十节点六面体单元壳SHELL57四节点点MASS71有关单元的详细解释，请参阅《ANSYSElementReferenceGuide》2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-25第三讲、ANSYS稳态热分析的基本过程ANSYS热分析可分为三个步骤：·前处理：建模·求解：施加载荷计算·后处理：查看结果Procedure1......2......3......2001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Them-26稳态热分析步骤一：建模①、确定jobname、titl