第12章 热分析 ANSYS教学课件.ppt

第12章 热分析 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。很多工业产品，如内燃机、汽轮机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等的设计开发必须进行热分析才能确定产品的功能和性能。 12.1 热分析基础知识 本节主要介绍热分析的基础知识，包括热分析符号与单位；热力学第一定律等传热学经典理论，热传导、热对流和热辐射等三种基本热传递方式；以及热分析材料基本属性；边界条件与初始条件；热载荷；稳态与瞬态热分析和非线性热分析等内容。 12.1.1 热分析符号与单位 热分析（TA，thermal analysis）是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis，ICTA）于1977年将热分析定义为： “热分析是测量在程序控制温度下，物质的物理性质与温度依赖关系的一类技术。”根据测定的物理参数又分为多种方法。 12.1.2 传热学经典理论 热分析遵循热力学第一定律，即守恒定律。对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出）能量守恒定律可表达为： 12.1.3 三种基本热传递方式 热传三种基本热传递方式包括热传导、热对流和热辐射。 1．热传导 2．热对流 3．热辐射 12.1.4 热分析材料基本属性 与热分析直接相关的材料属性包括：热传导率、比热容、焓、对流换热系数、辐射系数、生热率。12.1.3节已经介绍了热传导率、对流换热系数及辐射系数的物理意义，本节重点对比热、焓以及生热率这三种材料属性进行介绍。 1．比热容 2．焓 3．生热率 12.1.5 边界条件与初始条件 为了使得每一节点的热平衡方程具有唯一解，需要附加一定的边界条件和初始条件，统一称为定解条件。 1．三类边界条件 2．初始条件 12.1.6 热载荷 ANSYS12.1共提供了6种载荷，可以施加在实体模型或单元模型上，包括 1．温度 2．热流率 3．对流 4．热流密度 5．生热率 6．热辐射率 12.1.7 稳态与瞬态热分析 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。 瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其它热参数。工程上一般用瞬态热分析计算温度场，并将之作为热载荷进行应力分析。瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷，首先必须将载荷与时间曲线分为载荷步。 12.1.8 线性与非线性热分析 ANSYS在热分析过程中，如果有下列情况中的一种或几种出现，则该分析为非线性热分析： 材料热性能随温度变化； 边界条件随温度变化； 含有非线性单元； 考虑辐射传热。 12.2 热分析介绍 本节主要对热分析的基本概念、热分析的类型、热分析的基本过程等内容进行介绍。热分析的类型包括稳态传热、瞬态传热和耦合分析等三种类型。 12.2.1 热分析简介 热分析是与热量有关的分析，一般表现为与温度相关。热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等其他物理参数。 热分析在内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等许多工程应用中扮演重要角色。通常在热分析后进行应力分析，计算由于热膨胀或收缩引起的热应力。 12.2.2 热分析的类型 热分析一般包含以下3种类型。 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。 耦合分析：在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的压电分布问题，反之亦然。其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析、热-电耦合分析、流体-结构耦合分析、磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等。 12.2.3 热分析的基本过程 ANSYS热分析可分为3个步骤： 1．建模 2．施加载荷计算 3．后处理 12.3 热-结构耦合分析 热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题。由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力，或者结构部件在高温环境中工作，材料受到温度的影响会发生性能的改变，这些都是进行结构分析时需要考虑的因素。 12.3.1 问题描述 如图12.1所示的带散热片的轴对称管，其管道和散热片均为不锈钢，管内为热流体，管内压力为6.89MPa，管内流体温度为250℃，管外为空气，管外流体温度为39℃。 12.3.2 问题分析 从上面描述的问题可以看出，该模型