Ansys热分析教程-第八章

第8章热辐射分析章节概述•辐射特性•辐射理论•ANSYS求解方法•ANSYS辐射建模方法–平面效果单元–连接单元–辐射矩阵功能•使用辐射矩阵的例子–加热水槽的热分析–隐式求解方法–非隐式求解方法基本特性•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100mm。覆盖了部分紫外线波谱，肉眼看见波长和所有红外波长。•与其他热传递方式需要介质不一样，辐射在真空中(如外层空间)热传递效率最高。•对于半透明体(如玻璃),辐射是体现象——因为辐射热从体中发散出。•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热都被实体内部吸收了。基本特性(续)•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。•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:因此，辐射分析是非线性的，需要迭代求解。)(44jijiTTQ表面辐射和吸收实际物体的表面辐射热到其他表面，同时从其他表面吸收热。当我们做辐射分析时，我们考虑的是辐射和吸收之间的平衡后的热传递效果。实际物体的表面能够以不同波长（波谱）与适当的方向（方向分布）进行辐射和吸收热，同时这些特性随温度将有所不同。波长方向分布辐射能物体的表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:反射表面则将辐射按镜象的方式进行反射:散射或反射散射表面反射表面qq散射或反射(续)通常情况下，平面可以被理想化为散射或反射面。没有实际的表面是真正的散射或反射面。比较灰暗的表面接近散射面，高度抛光的平面接近反射面。为了简化计算，认为物体表面的辐射发生在所有的波长和方向上是完全一样的。这就是下面要讨论的情形。因此，在散射和反射表面之间没有差别。吸收和反射对于承受一定辐射的不透明介质,G,一部分辐射能会从平面反射，一部分会被介质吸收:G辐射Gref反射的能量Gabs吸收的能量表面总吸收率,a,与之吸收偶然辐射的趋势有关。表面总反射率,r,与之反射偶然辐射的趋势有关。:1ar能量守衡要求辐射率和辐射能同样，表面总辐射率,e,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:4:Stefan-BoltzmannqETAEATee其中总辐射能量表面面积表面半球的总辐射率常数表面的绝对温度注:绝对温度用Rankine温度表示(°R)，它比华氏温度°F偏移460°。在SI单位制中，绝对温度以Kelvin(°K)温度表示,它比摄氏温度°C偏移273°。偏移温度可以使用TOFFST命令指定。辐射率总辐射率,J,是热流单位，表示平面发射和反射的能量总和(如,离开平面的总能量):由于ANSYS不直接计算平面反射率，辐射率和发射率假设为相等(E=J)。GIncidentradiationGrefEnergyreflectedGeEmissivePowerJRadiosity黑体是理想化的表面，用来与实际表面进行比较。这里列出了黑体的特性:–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:aB=eB=1。黑体实际平面叫做灰体因为他们不象黑体。灰体在温度T的总发射率如下:因此，对于灰体,(e1)总是成立的。灰体()()():bbETTETEEe其中灰体表面的半球辐射总能量黑体表面的半球辐射总能量ANSYS和辐射ANSYS中关于辐射的重要假设和方法:–ANSYS认为辐射是表面现象，因此适合用不透明表面建模。–ANSYS不直接计入表面反射率。考虑到效率，假设表面吸收率和发射率相等(ae)。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。–所有分隔辐射面的介质在计算辐射能量交换时都看作是非参与的(不吸收也不发射能量)。多个平面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:形状系数jiiijF表面从表面接受的辐射能表面辐射出的辐射能在我们可以计算平面间辐射热能之前，我们需要介绍形状因子的概念(包括视觉系数，形态系数，结构系数)。形状因子由相互辐射的两个表面(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表面(j)上而得到:形状系数(续)两个平面的形状系数是面积，方向和距离的函数。形状系数(续)对于有n个平面的系统，形状因子矩阵由n2个元素组成:从任何平面发射的能量必须守恒:而且相互作用需要:nnnnnnnxnFFFFFFFFFF2122221112111........n21iiiFFFjijijiFAFA两个表面间的辐射热传递要计算从一个表面(i)到另一个表面(j)的热传递，我们使用相互作用法则和施蒂芬-波斯曼法则得到:方程可以写为如下形式:由于K’是T3的函数,方程不能直接求解，必须使用迭代方法。)(44jiijijiTTFAQe32244offunctionais,)())()((,)(TKwhereTTKQTTTTTTKQFAKwhereTTKQjijijijijijiijijijieANSYS求解方法ANSYS使用一个简单的过程求解多个平面辐射问题，矩阵形式如下:生成多表面辐射系统的矩阵需要比前面列出的简单因子近似方法复杂的过程。辐射是高度非线性现象，需要使用牛顿-拉普森迭代求解。见第4章中关于非线性分析的详细内容。3,KTQKT其中是的函数在ANSYS进行辐射建模ANSYS中有三种单元类型用于建立辐射模型:•表面效应单元–SURF151/SURF152单元;用于点和面或面和空气间的辐射效果。(注:SURF19和SURF22也可以使用)•辐射连接单元–LINK31;用于点和点之间的辐射•辐射矩阵(超单元)–用于通用的辐射问题涉及两个或多个平面。•辐射通量法–用于2D或3D的大型辐射问题（适用于所有的热单元类型）。辐射建模使用表面效应单元建立辐射模型•表面效应单元–用于建立面和点或面和空气间的辐射模型–形状系数必须已知，但通常未知。–SURF151用于2D平面，SURF152用于3D平面。()440Stefan-BoltzmannrrqATTqATee其中：辐射热量表面面积表面辐射率常数表面温度辐射建模使用表面效应单元建立辐射模型表面效应单元2D边界条件,SURF151–将SURF151单元覆盖在模型有辐射的面上。–远离基础SURF151单元指定附加结点。(注:附加结点需要属于另外辐射面的单元或是单独的，带有施加的温度约束。)–材料特性:–实常数:)(eEMIS),constantBoltzmannStefan()(SBCONSTFFORMFij辐射建模使用表面效应单元建立辐射模型•SURF151单元选项1.设置辐射的附加结点为包括(K5)。2.设置形状因子计算(K9)。辐射建模使用表面效应单元建立辐射模型表面效应单元3D边界条件,SURF152–将SURF152单元覆盖在模型有辐射的面上。–远离基础SURF152单元指定附加结点。(注:附加结点需要属于另外辐射面的单元或是单独的，带有施加的温度约束。)–材料特性:–实常数:etemperaturoffunctionasdefinedbeCan)(eEMIS),constantBoltzmannStefan(setiskeyoptiononcalcualatiANSYSifneedednot)(SBCONSTFFORMFij辐射建模使用表面效应单元建立辐射模型•SURF152单元选项1.包含辐射附加结点(K5)。2.如果附加结点为点平面时需要计算形状因子。如果形状因子已知，输入实常数(K9)。如果需要,ANSYS在每个积分点上计算形状因子cos(a)。辐射建模使用连接单元建立辐射模型两个结点间的辐射•LINK31单元可以用于简单问题如两点或多点间的辐射。•如果形状因子已知，使用LINK31单元()441211212212:1212,121221:ijqAAFFijqAFTAFTe其中从节点到节点的辐射热量与节点和有关的表面面积形状系数注意代表从节点辐射到节点的总辐射能的系数辐射建模使用连接单元建立辐射模型辐射连接单元,LINK31–远离结点的位置可选或属于其他单元。–材料属性:–实常数:–随温度变化的发射率可以在本单元中指定。)(eEMIS),constantBoltzmannStefan()()(SBCONSTFFORMFAAREAiji辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型辐射矩阵单元–使用在形状因子未知的情况下。–在不同定位的表面上生成形状因子,Fij。–用于表面间的相互辐射。–可以用于封闭或开放系统。–本方法需要非常大的计算工作量，可能需要相对大量的CPU时间和存储空间(特别是使用HIDDEN方法时)。–不能使用随温度变化的发射率。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型辐射矩阵单元–补充辐射能量交换方程:()41111:1whenKroneckerDelta0whenNNjiijiijijiiiiiiijijiiiFQFTANjijiTiQieee其中辐射面的个数表面的绝对温度流进或流出表面的净热流率辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型辐射矩阵单元•辐射矩阵单元计算矩阵,[Kts],代表两个或多个表面间的辐射效果。它包括计算多个平面的形状系数:•然后矩阵作为超单元(MATRIX50)在热分析中计算温度解。•求解过程中，方程线性化(见8-17,18)用线性方程求解器迭代求解:•[K’]是{T}的函数而[Kts]不是。因此，辐射矩阵不需要在每次迭代中计算。但是，这说明随温度变化的发射率不能包括在内。QTKts4QTK•在使用辐射矩阵单元建立辐射模型有三个主要步骤:1.定义辐射面。2.生成辐射矩阵。3.在热分析中使用辐射矩阵。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型步骤1:定义辐射面1.建立在热分析中使用的模型。2.在所有辐射平面上，覆盖网格:–LINK32单元在2D辐射面上–或,SHELL57单元在3D辐射面上重要提示:•覆盖的LINK32或SHELL57网格要与下面的实体单元在模型和阶次上相适应。•如果辐射面上有不同的发射率，保证在相应的表面上指定不同的材料特性。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型重要提示(续):•覆盖单元必须有正确的方向。•对于LINK32单元,单元的Y-轴正方向必须指向观察面(辐射方向)。•对于SHELL57单元,单元的Z-轴正方向必须指向观察面(辐射方向)。•单元定位取决于生成的方法。例如，如果线用LINK32划分，方向与线的方向相同。•打开单元坐标系标号选项绘图来查看单元定位是否正确。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型步骤1:定义辐射面(续)3.定义结点(空间结点)吸收所有未被其他平面吸收的辐射能量。–空间结点的位置可以选择。–空间结点在开放系统中需要。–对于封闭系统，不推荐使用空间结点。–空间结点可以属于一个单元或是单独的，并带有温度约束。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型步骤2:生成辐射矩阵•进入辐射矩阵单元:MainMenuRadiationMatrix•选择组成辐射面的所有结点和单元包括空间结点(如果定义的话)。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型步骤2:生成辐射矩阵(续)1.定义辐射面的发射率。缺省数值为。辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型辐射建模使用辐射矩阵单元建立辐射模型2.指定施蒂芬-波斯曼常数