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第19章 热分析 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 19.1 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 19.2 ANSYS的热分析分类 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 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 19.3 热分析的符号与单位 19.4 传热学经典理论回顾 19.5 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。 19.5 热传递的方式(续) 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。 19.6 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} 。 19.7 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。 19.8 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)} 19.9 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：模型区温度已知 热流率：热流率已知的点 对流：表面的热传递给周围的流体通过对流。输入对流换热系数h和环境流体的 平均温度Tb 热辐射：通过辐射产生热传递的面. 输入辐射系数，Stefan-Boltzmann常数，“空间节点”的温度作为可选项输入 绝热面： “完全绝热”面，该面上不发生热传递 热通量：单位面积上的热流率已知的面 热生成率：体的生热率已知的区域 19.10 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