补充3-ANSYS热辐射分析.pdf

第六章 热辐射分析 6.1 热辐射的定义 热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。电磁波以光的速度进行传递，而 能量传递与辐射物体之间的介质无关。热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带 宽。由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有 限元分析是高度非线性的。物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律： 式中： —物体表面的绝对温度； —Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为 5.67×10-8 6.2 基本概念 下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义： 黑体 黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体； 通常的物体为“灰体”，即ε 1； 在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化； 辐射率（黑度） 物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐 射热量之比。 式中： －辐射率（黑度） －物体表面辐射热量 －黑体在同一表面辐射热量 形状系数 形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非 隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。 表面I与表面J之间的形状系数为： 形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数； 由于能量守恒，所以： 根据相互原理： 由辐射矩阵计算的形状系数为： 式中： －单元法向与单元I,J连线的角度 －单元I,J重心的距离 有限单元模型的表面被处理为单元面积dA 及dA ，然后进行数字积分。 I J 辐射对 在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的 或是闭合的。在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射 ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对 都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。 Radiosity 求解器 当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐 射热流来得到辐射体之间的热交换。而面上的热流为接下来的热传导分析提供了 有限元模型的边界条件。重复上面的过程，就会由于新的时间步或者新的迭代循 环会得到新的热流边界条件，从而计算出新的温度分布。在计算中使用的每个表 面的温度必须是均匀的，这样才能满足辐射模型的条件。 6.3 分析热辐射问题 针对不同的情况ANSYS为热辐射分析提供了四种方法。 热辐射线单元（LINK31），模拟两节点间（或多对节点）间辐射； 表面效应单元（SURF151及SURF152），模拟点对面（线）的辐射； 利用AUX12生成辐射矩阵，模拟更一般的面与面（或线与线）的辐射(只有 ANSYS/Multiphysics ANSYS/Mechanical和ANSYS/Professional这些产品提供辐射矩阵生成 器)； Radiosity求解器方法，求解二维、三维面与面之间的热辐射，