第十課+熱分析3

熱分析第6章附加對(duì)流/熱流載荷選項(xiàng)和簡(jiǎn)單的熱/流單元7-3對(duì)流/熱流作為面載荷施加對(duì)流和熱流邊界條件可以作為面載荷施加:幾何模型(2-D中的線,3-D中的面),忽略模型是否已經(jīng)劃分網(wǎng)格(ANSYSSFL,SFA命令)在單元面上(ANSYSSFE命令)在節(jié)點(diǎn)上(ANSYS找到所有面都在節(jié)點(diǎn)集合中的單元，然后施加對(duì)流在單元面上。ANSYSSF命令)在上述實(shí)體上只能施加一種熱面載荷。也就是說(shuō)，不能同時(shí)施加熱流和對(duì)流邊界條件到單元上。7-4平面效果單元平面效果單元;SURF151(2-D),SURF152(3-D),可以覆蓋在任何2-D熱實(shí)體(除了諧波單元PLANE75和PLANE78)或3-D實(shí)體單元上。SURF152SURF1517-5為何使用平面效果單元?給出了更多的適應(yīng)性，定義隨溫度變化換熱系數(shù)的溫度，平面溫度，流體溫度，平均溫度溫度微分的絕對(duì)值。允許用戶對(duì)相同單元面或區(qū)域施加多個(gè)平面載荷(如熱流和對(duì)流)。在介質(zhì)溫度未知的情況下，提供了一個(gè)建立對(duì)流效果的方便辦法。單元有附加節(jié)點(diǎn)可以與模型中其它單元相連(如熱-流單元FLUID116)。單元可以用于對(duì)平面熱生成效果建模因?yàn)闊嵘伤俾适亲鳛轶w載荷輸入的(需要輸入厚度實(shí)常數(shù))。7-6為何使用平面效果單元?(續(xù))允許計(jì)入簡(jiǎn)單的輻射效果，如輻射到空氣中。在選擇的模型區(qū)域?qū)ζ矫媪髁亢蛯?duì)流結(jié)果進(jìn)行后處理時(shí)很方便。提供了方便的手段(列出響應(yīng)熱流)得到當(dāng)附加節(jié)點(diǎn)溫度與介質(zhì)溫度相同時(shí)的對(duì)流凈溫度損失/獲得。7-7平面效果單元的特殊用途介質(zhì)溫度可以從附加節(jié)點(diǎn)得到(使用D命令)或指定(SFE命令)。用SFE命令指定的換熱系數(shù)可以用USERCAL命令激活USERCV用戶子程序來(lái)修改。USERCV可以修改帶有或不帶附加節(jié)點(diǎn)的平面效果單元上的換熱系數(shù)。這允許用戶在程序中使用特殊的換熱系數(shù)計(jì)算

(參考ANSYSProgrammer’sManual

得到細(xì)節(jié))。其它計(jì)算換熱系數(shù)和介質(zhì)溫度的選項(xiàng)當(dāng)FLUID116單元與第三個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的時(shí)候也可以使用。7-8創(chuàng)建帶有附加節(jié)點(diǎn)的平面單元的步驟假設(shè)熱/流單元(FLUID116)不與平面效果單元一起使用，下面的步驟是創(chuàng)建帶有附加節(jié)點(diǎn)的平面單元的過(guò)程

:

定義平面效果單元類型并帶有“附加節(jié)點(diǎn)”選項(xiàng)。象通常情況下劃分2-D或3-D實(shí)體區(qū)域。生成附加節(jié)點(diǎn)。選擇要生成平面效果單元的面上的節(jié)點(diǎn)并選擇與之相連的實(shí)體單元。將缺省屬性(單元類型，材料特性，實(shí)常數(shù)序列)設(shè)置為要生成的平面效果單元。

(生成使用FLUID116單元的平面效果單元的過(guò)程見(jiàn)7-31)。7-9創(chuàng)建帶有附加節(jié)點(diǎn)的平面單元的步驟(續(xù))然后，用戶將選擇或輸入節(jié)點(diǎn)號(hào)碼確認(rèn)附加節(jié)點(diǎn)。

12MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements

7-10創(chuàng)建不帶附加節(jié)點(diǎn)的平面單元的步驟在大多數(shù)情況下，平面效果單元使用帶有附加節(jié)點(diǎn)的選項(xiàng)。但是，也可以創(chuàng)建不帶附加節(jié)點(diǎn)的平面效果單元(如只有熱流載荷)。使用下列步驟操作:定義不帶“附加節(jié)點(diǎn)”的平面效果單元。象通常情況下劃分2-D或3-D實(shí)體區(qū)域。

選擇要生成平面效果單元的面上的節(jié)點(diǎn)并選擇與之相連的實(shí)體單元。將缺省屬性(單元類型，材料特性，實(shí)常數(shù)序列)設(shè)置為要生成的平面效果單元。7-11創(chuàng)建不帶附加節(jié)點(diǎn)的平面單元的步驟(續(xù))12注:不帶附加節(jié)點(diǎn)的平面效果單元也可以使用劃分線的操作得到(LMESH)。在使用這種方法時(shí)，平面效果單元的坐標(biāo)系將由線的方向確定而非覆蓋的實(shí)體單元坐標(biāo)系。MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements

7-12平面效果單元的圖形顯示

在缺省情況下，如果繪制單元圖，ANSYS將平面效果單元象面一樣顯示，附加節(jié)點(diǎn)以點(diǎn)顯示。面附加節(jié)點(diǎn)7-13平面效果單元的圖形顯示單元圖的形式可以改變?yōu)橄聢D的樣子。這樣可以清晰地識(shí)別附加節(jié)點(diǎn)。1237-14對(duì)流桿單元對(duì)流桿單元(LINK34)可以用于多種情況:在熱網(wǎng)格模型中作為對(duì)流連接在熱/流單元和2-D和3-D熱實(shí)體單元間作為對(duì)流連接(通常平面效果單元較容易實(shí)現(xiàn))在兩個(gè)或多個(gè)部分定義接觸熱阻時(shí)作為一種方法。由于對(duì)流單元不需要長(zhǎng)度，節(jié)點(diǎn)I和

J可以是重合的(不象對(duì)流連接單元LINK32和LINK33)。LINK347-15對(duì)流桿單元(續(xù)) 節(jié)點(diǎn)I和J之間的熱流速率可以定義為:

見(jiàn)ANSYS單元手冊(cè)4-34。7-16接觸熱阻兩個(gè)平面(不同溫度)在接觸時(shí)接觸處溫度會(huì)有降低。降低是由兩個(gè)平面不完全接觸引起的。不完全接觸，也叫接觸熱阻，可以有下面許多原因造成影響:

平面平整度平面光潔度氧化氣泡接觸壓力平面溫度潤(rùn)滑劑的使用DTTx7-17接觸熱阻(續(xù))通常當(dāng)需要接觸熱阻效果時(shí)，要使用對(duì)流單元連接接觸面。本方法需要每個(gè)平面上的節(jié)點(diǎn)是對(duì)齊的(通常重合)。對(duì)流單元比傳導(dǎo)桿單元好因?yàn)橛脤?duì)流桿單元定義的熱阻不是單元長(zhǎng)度的函數(shù)(convenientforflushsurfaceswithcoincidentnodes)。接觸熱阻的兩種方法在下面敘述。ConvectionelementsConvectionelements7-18使用對(duì)流桿單元進(jìn)行接觸熱阻建模

LINK34對(duì)流桿單元可以建立接觸熱阻。熱阻由LINK34的實(shí)常數(shù)來(lái)控制。熱阻定義為:

如果E=F=1(n,CC=0),hf*A是熱傳導(dǎo)，因此是熱阻的倒數(shù)。7-19使用對(duì)流桿單元進(jìn)行接觸熱阻建模(續(xù))下面的步驟用于在相鄰部分生成LINK34單元的接觸熱阻:劃分各部分使得網(wǎng)格對(duì)齊(接觸面上網(wǎng)格重合)激活適當(dāng)?shù)膯卧愋?，材料特性和?shí)常數(shù)選擇接觸面上的節(jié)點(diǎn)序列使用EINTF命令自動(dòng)生成單元:

(Preprocessor>Modeling>Create>

Elements>Auto-numbered>

AtCoincidentNodes)接觸面上的對(duì)流桿單元(注:平面邊緣的單元實(shí)參不同)Separationofsurfacesexaggeratedforclarity7-20使用對(duì)流桿單元進(jìn)行接觸熱阻建模

2-DSURF151和3-DSURF152熱平面效果單元可以用于模擬接觸熱阻。 當(dāng)使用平面效果單元時(shí)，使用兩個(gè)具有共同附加節(jié)點(diǎn)的平面效果單元如圖。附加節(jié)點(diǎn)的位置不重要，但它們同屬于平面效果單元。定義Hf數(shù)值為L(zhǎng)INK34單元的兩倍因?yàn)橛袑?shí)際的兩個(gè)接觸熱阻存在。 這與模擬平面荷小管路的流體間的對(duì)流過(guò)程類似(在下一部分闡述)。不同之處在于附加節(jié)點(diǎn)也用于定義熱-流單元。Separationofsurfacesexaggeratedforclarity.共享的附加節(jié)點(diǎn)7-211-D熱/流單元-FLUID116本單元對(duì)一維熱和流體建模，但它可以用于2-D或3-D實(shí)體單元。缺省情況下，單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)自由度，壓力和溫度，可以用于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析。在絕大多數(shù)情況下,FLUID116用于在2-D和3-D模型中包括熱質(zhì)量傳遞和對(duì)流效果而不使用復(fù)雜的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型。FLUID1167-221-D熱/流單元-FLUID116(續(xù))溫度荷流分布為1-D(沿I-J軸)。用戶可以指定流速(使用SFE命令的HFLUX標(biāo)號(hào))，避免非線性流動(dòng)計(jì)算或提供流體傳導(dǎo)

(或給程序計(jì)算流體傳導(dǎo)提供足夠的數(shù)據(jù))。程序就可以通過(guò)流體網(wǎng)格方程計(jì)算壓力和流分布基于Bernoulli’s方程。熱效果包括:長(zhǎng)度方向的傳導(dǎo)熱質(zhì)量傳遞內(nèi)部熱生成(用戶指定或計(jì)算粘性熱流)通過(guò)可選節(jié)點(diǎn)(K,L)對(duì)流或使用

FLUID116節(jié)點(diǎn)作為平面效果單元的附加節(jié)點(diǎn)。7-231-D熱/流單元-FLUID116(續(xù))流動(dòng)效果可以包括管路摩擦損失和損失系數(shù)。頭，泵荷其它慣性效果可以使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS命令如ACEL,OMEGA,等計(jì)入。7-241-D熱/流單元-FLUID116(續(xù))一個(gè)單元的平衡方程為:7-251-D熱/流單元-FLUID116(續(xù))使用FLUID116時(shí)應(yīng)考慮下列問(wèn)題:當(dāng)包含熱質(zhì)量傳遞效果時(shí)，熱傳導(dǎo)矩陣是非對(duì)稱的，因此要需要更多的求解空間。在Bernoulli’s方程中,壓力降(Pi-Pj)與流

(w)不是線性關(guān)系，因此如果計(jì)算流速就需要非線性流求解。流計(jì)算可以用給出流速

(使用命令)跳過(guò)并使用關(guān)鍵選項(xiàng)為只有溫度

DOF。在瞬態(tài)分析中，流速變化是瞬時(shí)的。流體壓縮效果可以通過(guò)理想氣體假設(shè)包括進(jìn)來(lái)。由于質(zhì)量傳遞引起的能量變化在單元的輸出節(jié)點(diǎn)集中(流體流出節(jié)點(diǎn)).7-26FLUID116單元選項(xiàng)描述KEYOPT(1)自由度0,PRESandTEMP1,TEMP2,PRES

KEYOPT(2)0,2節(jié)點(diǎn)無(wú)對(duì)流效果1,2節(jié)點(diǎn)和對(duì)流信息傳遞到SURF151/152單元2,4節(jié)點(diǎn)和對(duì)流面通過(guò)實(shí)常數(shù)提供7-27FLUID116單元選項(xiàng)描述(續(xù))KEYOPT(5)在何時(shí)溫度有hf=f(T)0,平均流體溫度(Ti+Tj)/21,平均墻溫度(Tk+Tl)/22,平均單元溫度(Ti+Tj+Tk+Tl)/43,溫度微分=平均流體墻KEYOPT(4)本選項(xiàng)決定如何定義換熱系數(shù)(見(jiàn)7-29)7-28FLUID116單元選項(xiàng)描述(續(xù))KEYOPTs(6),(7),(8)控制如何計(jì)算流體傳導(dǎo)7-29對(duì)流熱傳遞到/從FLUID116定義對(duì)流面的方法:使用可選節(jié)點(diǎn)(K,L),用戶在節(jié)點(diǎn)(K,L)實(shí)參指定對(duì)流面或由程序基于實(shí)參計(jì)算

-hydraulicdiameter用SURF151/152單元處理對(duì)流將節(jié)點(diǎn)

I或J作為附加節(jié)點(diǎn)7-30換熱系數(shù)選項(xiàng)-FLUID116如果使用帶有可選節(jié)點(diǎn)(K,L)的FLUID116，這些選項(xiàng)可以用來(lái)指定hf:hf由MP命令指定hf由與Nusselt(hf*D/Kxx),Reynolds和Prandtl數(shù)有關(guān)的方程定義使用TB命令用表格輸入:hf為溫度和平均速度的函數(shù)hf為溫度和Reynold’s數(shù)的函數(shù)Nusselt數(shù)為溫度和Reynold’s數(shù)的函數(shù)使用用戶子程序USER116HF(參考ANSYSProgrammer’sManual)7-31換熱系數(shù)選項(xiàng)-FLUID116(續(xù))如果使用FLUID116為SURF151/152“附加節(jié)點(diǎn)”,可以使用下列選項(xiàng)定義hf:hf通過(guò)SFE命令指定給SURF151/152單元hf由用戶子程序USERCV激活USERCAL命令給出hf使用用戶子程序USERSURF116,注意使用本程序?qū)⒏采w所有由SFE或USERCV定義的數(shù)值7-32與平面效果單元的接口已經(jīng)有宏用來(lái)對(duì)使用FLUID116結(jié)點(diǎn)作為SURF151和152單元附加結(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)建模。該宏迅速地以最近的FLUID116結(jié)點(diǎn)作為“附加結(jié)點(diǎn)”生成平面效果單元。LFSURF,Sline,Tline使用平面效果單元?jiǎng)澐志€組元“Sline”并使用已經(jīng)在線組元“Tline”劃分好FLUID116的最近結(jié)點(diǎn)作為附加結(jié)點(diǎn)。AFSURF,Sarea,Tline使用平面效果單元?jiǎng)澐置娼M元“Sarea”并使用已經(jīng)在線組元“Tline”劃分好FLUID116的最近結(jié)點(diǎn)作為附加結(jié)點(diǎn)。宏中的組元名稱在使用命令時(shí)必須使用單括號(hào)。注: 當(dāng)使用這些宏時(shí)，平面效果單元坐標(biāo)系根據(jù)相應(yīng)線方向或面的法線方向確定，不是象ESURF由覆蓋的實(shí)體單元法線確定。7-33與平面效果單元的接口(續(xù))本宏可以在GUI中使用，如下:12345在選擇框中選擇面/線。7-34FLUID116單位在絕大多數(shù)熱分析中,密度單位是不重要的。但是，密度和比熱的乘積的單位是重要的。當(dāng)模型包括FLUID116單元時(shí),密度和流速的單位是重要的并且要基于質(zhì)量。這些單位的使用保證了與同數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)分析的相容性。單位序列例子:傳導(dǎo)率: BTU/(hr-ft-F)密度: lbf-hr2/ft4比熱: BTU-ft/(lbf-hr2-F)粘性: lbf-hr/ft2流速: lbf-hr/ft7-35旋轉(zhuǎn)部分的特殊功能FLUID116和SURF151/152單元經(jīng)常在建立旋轉(zhuǎn)設(shè)備的熱/流效果模型時(shí)使用，如汽輪機(jī)。在這些模型中可以有特殊的功能:使用“絕熱”墻溫度作為介質(zhì)溫度(見(jiàn)ANSYSTheoryManual14.152.2)用戶定義流體的角速度(FLUID116實(shí)常數(shù))和轉(zhuǎn)速(SURF151/152實(shí)常數(shù)),可以使用表格輸入(位置,時(shí)間的函數(shù))滑動(dòng)因子(FLUID116實(shí)常數(shù)),可以表格輸入恢復(fù)因子(SURF151/152實(shí)常數(shù))旋轉(zhuǎn)軸(SURF151/152單元KEYOPT(3))7-36有質(zhì)量傳遞的熱分析例子氣體飽和溫度為220°F在小的銅管熱交換器中凝聚。銅管直徑為5/8”，壁厚為0.083”。70°F水以10ft/sec的速度進(jìn)入管中。ANSYS輸入文件見(jiàn)附錄B7-37有質(zhì)量傳遞的熱分析例子（續(xù)）目標(biāo):確定單管的第一英寸中水的溫升和管外表面的溫度分布假設(shè): 軸對(duì)稱模型和邊界條件，穩(wěn)態(tài)邊界給出:銅; K=60BTU/(hr-ft-F)

水; K=0.347BTU/(hr-ft-F) C=0.988BTU/(lbm-F) DENS=1.5E-7lbf-hr2/ft4 Ho=1800BTU/(hr-ft2-F) Hi=2500BTU/(hr-ft2-F)在熱質(zhì)量交換中必須(不是瞬態(tài)效果)7-38有質(zhì)量傳遞的熱分析例子（續(xù)）每步的重要提示:設(shè)置GUI過(guò)濾為Thermal使用參數(shù)定義尺寸，網(wǎng)格尺寸，材料特性等定義三種單元類型-FLUID116,SURF151,PLANE55對(duì)FLUID116單元設(shè)置下列關(guān)鍵選項(xiàng):keyoption(1)=1,只有溫度DOF,用戶提供質(zhì)量流動(dòng)因此單元是線性的keyoption(2)=1,對(duì)流信息傳遞給相連的SURF151(Note:aninputfilethatbuildsthemodelandappliestheboundaryconditionsisgiveninAppendixB):7-39有質(zhì)量傳遞的熱分析例子（續(xù)）對(duì)平面效果單元和實(shí)體單元設(shè)置下列關(guān)鍵選項(xiàng):SURF151-keyopt(3)=1,軸對(duì)稱 keyopt(4)=1,無(wú)中間結(jié)點(diǎn) keyopt(5)=1,有附加結(jié)點(diǎn)FLUID116 keyopt(8)=2,計(jì)算Hf在(Ts+Tb)/2PLANE55-keyopt(3)=1,軸對(duì)稱

定義參數(shù)GC=32.2*(3600**2),轉(zhuǎn)換:所有長(zhǎng)度為英寸密度=密度/GC比熱=比熱*GC7-40有質(zhì)量傳遞的熱分析例子（續(xù)）用定義數(shù)值參數(shù)方法將輸入速率轉(zhuǎn)換:流=QAV=62.4*(pi*Ri**2)*10*3600!Inlbm/hr質(zhì)量流=流/GC定義FLUID116單元的實(shí)常數(shù):hydraulicdiameter(不需要)流面(用做熱傳導(dǎo)面)通道數(shù)目(一個(gè))定義銅和水的材料特性。7-41有質(zhì)量傳遞的熱分析例子（續(xù)）在管中心之下定義兩條線共用一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。這些線使用FLUID116單元?jiǎng)澐?。第一條線為1’第二條線有一個(gè)單元(0.083/12)’。線方向是重要的，因?yàn)閱卧鴺?biāo)系有線的方向確定;正的質(zhì)量流沿線方向。123FlowDirection注:由于熱質(zhì)量傳遞在FLUID116單元的結(jié)點(diǎn)流出,輸出的線要精確度量管第一英寸的溫度降。7-42有質(zhì)量傳遞的熱分析例子（續(xù)）定義管橫截面為矩形面1’x(0.083/12)’。確定其從管中心線偏移(0.0625/12)’。

在使用流體單元的線和使用實(shí)體的管面上指定屬性。設(shè)置全局單元大小控制(ESIZE)等于管壁厚(0.083/12)’。用流體單元?jiǎng)澐志€。用實(shí)體單元?jiǎng)澐志匦蚊妗lowDirection7-43有質(zhì)量傳遞的熱分析例子（續(xù)）生成下列組元:WATERLIN-用FLUID116單元?jiǎng)澐值木€TUBELIN-管內(nèi)表面的線設(shè)置缺省單元類型為SURF151并使用下面的宏命令生成平面效果單元，以最近的結(jié)點(diǎn)為第三個(gè)結(jié)點(diǎn):LFSURF,’TUBELIN’,’WATERLIN’在求解器中施加下列邊界條件:流體輸入關(guān)鍵點(diǎn)上水溫(70°F)管外表面線上的對(duì)流(Ho和Tb)平面單元上的對(duì)流(Hi，使用SFE)指定FLUID116單元熱質(zhì)量交換，選擇并輸入:SFE,ALL,,HFLUX,,MASSFLOW7-44有質(zhì)量傳遞的熱分析例子（續(xù)）繪制整體模型并在每個(gè)端點(diǎn)放大,使用四邊形網(wǎng)格，管厚度方向有一個(gè)單元:PLANE55sSURF151sFLUID116s注:一個(gè)單元通常不足以確定厚度方向的溫度分布。7-45有質(zhì)量傳遞的熱分析例子（續(xù)）求解結(jié)束后，可以得到下面的結(jié)果:在管的第一英寸水溫度從70升高到77.55°F。管外表面溫度對(duì)長(zhǎng)度的曲線:7-46有質(zhì)量傳遞的熱分析例子（續(xù)）所有有限元解要檢查是否合理。手工檢查見(jiàn)下：第7章輻射熱傳遞8-48章節(jié)概述輻射特性輻射理論ANSYS求解方法ANSYS輻射建模方法平面效果單元連接單元輻射矩陣功能使用輻射矩陣的例子-熱沉的熱分析隱式求解方法非隱式求解方法8-49

基本特性

輻射熱傳遞是通過(guò)電磁波傳遞熱能的方法。熱輻射的電磁波波長(zhǎng)為0.1到100mm。這包括超微波，所有可以用肉眼看到的波長(zhǎng)，和長(zhǎng)波。不象其他熱傳遞方式需要介質(zhì)，輻射在真空中(如外層空間)效率最高。對(duì)于半透明體(如玻璃),輻射是三維實(shí)體現(xiàn)象因?yàn)檩椛鋸捏w中發(fā)散出。對(duì)于不透明體，輻射主要是平面現(xiàn)象因?yàn)閹缀跛袃?nèi)部輻射都被實(shí)體吸收了。8-50基本特性(續(xù))ANSYS可以模擬不透明體間的輻射，所以我們將討論范圍限制在平面輻射現(xiàn)象上。兩平面間的輻射熱傳遞與它們平面絕對(duì)溫度差的四次方成正比:

因此，輻射分析是非線性的，需要迭代求解。8-51平面輻射和吸收平面輻射熱到其他平面并從其他平面吸收熱。當(dāng)我們做輻射分析時(shí)，我們考慮的是輻射和吸收之間的凈效果。平面對(duì)不同波長(zhǎng)都會(huì)輻射和吸收，而且隨方向而改變。這些特性也隨溫度變化。WavelengthDirectionDistributionEmissivePower8-52散射或反射平面可以理想化為散射或反射裝置。散射裝置會(huì)將輻射均勻反射到所有方向，而不管輻射源的方位:反射平面會(huì)將輻射以近乎鏡象的方式反射:DiffuseSurfaceSpectralSurfaceqq8-53散射或反射(續(xù))通常情況下，平面可以被理想化為散射或反射面。沒(méi)有實(shí)際的平面是真正的散射或反射面。比較灰暗的平面接近散射面，高度拋光的平面接近反射面。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，平面的輻射特性可以在所有的波長(zhǎng)和方向平均。只有這些平均特性在后面的討論中使用。因此，在散射和反射平面之間沒(méi)有差別。8-54吸收和反射

對(duì)于承受一定輻射的不透明介質(zhì),G,一部分輻射能會(huì)從平面反射，一部分會(huì)被介質(zhì)吸收:G

輻射Gref

反射的能量Gabs

吸收的能量平面總吸收率,a,與之吸收偶然輻射的趨勢(shì)有關(guān)。平面總反射率,r,與之反射偶然輻射的趨勢(shì)有關(guān)。8-55發(fā)射率和發(fā)射能

同樣，平面總發(fā)射率,e,是平面在所有方向使用所有波長(zhǎng)發(fā)射熱的能力。這是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)值。平面在所有方向用所有波長(zhǎng)發(fā)射的總能量(熱流單位)由施蒂芬-波斯曼定律確定:注:絕對(duì)溫度用Rankine溫度表示(°R)，它比華氏溫度°F偏移460°。在

SI單位制中，絕對(duì)溫度以Kelvin(°K)溫度表示,它比攝氏溫度°C偏移273°。偏移溫度可以使用TOFFST命令指定。8-56輻射率

總輻射率,J,是熱流單位，表示平面發(fā)射和反射的能量總和(如,離開(kāi)平面的總能量):由于ANSYS不直接計(jì)算平面反射率，輻射率和發(fā)射率假設(shè)為相等(E=J)。G

IncidentradiationGref

Energy

reflectedGe

Emissive

PowerJRadiosity8-57黑體是理想化的平面，用來(lái)與實(shí)際平面進(jìn)行比較。這里列出了黑體的特性:黑體吸收所有的偶然輻射(沒(méi)有反射),不管波長(zhǎng)和方向。黑體為純粹的發(fā)射器。對(duì)于給定的波長(zhǎng)和溫度，沒(méi)有平面比黑體發(fā)射更多的能量。黑體是純粹的散射發(fā)射器;輻射在所有方向均一致。因此，對(duì)于黑體:aB=eB=1.黑體8-58實(shí)際平面叫做灰體因?yàn)樗麄儾幌蠛隗w。灰體在溫度T的總發(fā)射率如下:因此，對(duì)于灰體,(e<1)

總是成立的?；殷w8-59ANSYS和輻射ANSYS中關(guān)于輻射的重要假設(shè)和方法:ANSYS認(rèn)為輻射是平面現(xiàn)象，因此適合用不透明平面建模。ANSYS不直接計(jì)入平面反射率?？紤]到效率，假設(shè)平面吸收率和發(fā)射率相等(a=e)。因此，只有發(fā)射率特性需要在ANSYS輻射分析中定義。ANSYS不自動(dòng)計(jì)入發(fā)射率的方向特性，也不允許發(fā)射率定義隨波長(zhǎng)變化。發(fā)射率可以在某些單元中定義為溫度的函數(shù)。所有分隔輻射面的介質(zhì)在計(jì)算輻射能量交換時(shí)都看作是非參與的(不吸收也不發(fā)射能量)。8-60多個(gè)平面到此為止我們只討論了單獨(dú)的輻射平面。但是，在研究實(shí)際問(wèn)題時(shí)，我們通常要考慮多個(gè)輻射平面的相互作用。要考慮的平面越多，問(wèn)題越復(fù)雜:8-61形狀因子在我們可以計(jì)算平面間輻射熱能之前，我們需要介紹形狀因子的概念(包括視覺(jué)因子，形態(tài)因子，結(jié)構(gòu)因子)。形狀因子由相互輻射的兩個(gè)平面(i和j)定義。它的定義是由于從一個(gè)平面(i)發(fā)射的輻射能偶然施加到另一個(gè)平面(j)上而得到:8-62形狀因子(續(xù))兩個(gè)平面的形狀因子是面積，方向和距離的函數(shù)。8-63形狀因子(續(xù))對(duì)于有n

個(gè)平面的系統(tǒng)，形狀因子矩陣由n2

個(gè)元素組成:從任何平面發(fā)射的能量必須守恒:而且相互作用需要:8-64兩個(gè)平面間的輻射熱傳遞要計(jì)算從一個(gè)平面(i)到另一個(gè)平面(j)的熱傳遞，我們使用相互作用法則和施蒂芬-波斯曼法則得到:方程可以寫為如下形式:由于K’是T3的函數(shù),方程不能直接求解，必須使用迭代方法。8-65ANSYS求解方法ANSYS使用一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程求解多個(gè)平面輻射問(wèn)題，矩陣形式如下:生成多平面問(wèn)題系統(tǒng)的矩陣需要比前面列出的簡(jiǎn)單因子近似方法復(fù)雜的過(guò)程。輻射是高度非線性現(xiàn)象，需要使用牛頓-拉夫森迭代求解。見(jiàn)第4章中關(guān)于非線性分析的詳細(xì)內(nèi)容。8-66在ANSYS進(jìn)行輻射建模ANSYS中有三種單元類型用于建立輻射模型:平面效果單元 SURF151/SURF152單元;用于點(diǎn)和面或面和空氣間的輻射效果。(注:SURF19和SURF22也可以使用)輻射連接單元LINK31;用于點(diǎn)和點(diǎn)之間的輻射輻射矩陣(超單元)用于通用的輻射問(wèn)題涉及兩個(gè)或多個(gè)平面。8-67輻射建模

使用平面效果單元建立輻射模型平面效果單元用于建立面和點(diǎn)或面和空氣間的輻射模型形狀因子必須已知，但通常未知。SURF151用于2D平面，SURF152用于3D平面。8-68輻射建模

使用平面效果單元建立輻射模型平面效果單元2D邊界條件,SURF151將SURF151單元覆蓋在模型有輻射的面上。遠(yuǎn)離基礎(chǔ)SURF151單元指定附加結(jié)點(diǎn)。(注:附加結(jié)點(diǎn)需要屬于另外輻射面的單元或是單獨(dú)的，帶有施加的溫度約束。)材料特性:

實(shí)常數(shù): 8-69輻射建模

使用平面效果單元建立輻射模型SURF151單元選項(xiàng) 1.設(shè)置輻射的附加結(jié)點(diǎn)

包括

(K5)。 2.設(shè)置形狀因子計(jì)算(K9)。8-70輻射建模

使用平面效果單元建立輻射模型平面效果單元3D邊界條件,SURF152將SURF152單元覆蓋在模型有輻射的面上。遠(yuǎn)離基礎(chǔ)SURF152單元指定附加結(jié)點(diǎn)。(注:附加結(jié)點(diǎn)需要屬于另外輻射面的單元或是單獨(dú)的，帶有施加的溫度約束。)材料特性:實(shí)常數(shù): 8-71輻射建模

使用平面效果單元建立輻射模型SURF152單元選項(xiàng) 1.包含輻射附加結(jié)點(diǎn)(K5)。 2.如果附加結(jié)點(diǎn)為點(diǎn)平面時(shí)需要計(jì)算形狀因子。如果形狀因子已知，輸入實(shí)常數(shù)(K9)。如果需要,ANSYS在每個(gè)積分點(diǎn)上計(jì)算形狀因子cos(a)。8-72輻射建模

使用連接單元建立輻射模型兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的輻射LINK31單元可以用于簡(jiǎn)單問(wèn)題如兩點(diǎn)或多點(diǎn)間的輻射。如果形狀因子已知，使用LINK31單元8-73輻射建模

使用連接單元建立輻射模型輻射連接單元,LINK31遠(yuǎn)離結(jié)點(diǎn)的位置可選或?qū)儆谄渌麊卧?。材料屬?實(shí)常數(shù): 隨溫度變化的發(fā)射率可以在本單元中指定。8-74輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型輻射矩陣單元使用在形狀因子未知的情況下。在不同定位的平面上生成形狀因子,Fij。用于平面間的相互輻射?？梢杂糜诜忾]或開(kāi)放系統(tǒng)。本方法需要非常大的計(jì)算工作量，可能需要相對(duì)大量的CPU時(shí)間和存儲(chǔ)空間(特別是使用HIDDEN方法時(shí))。不能使用隨溫度變化的發(fā)射率。8-75輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

輻射矩陣單元補(bǔ)充輻射能量交換方程:8-76輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

輻射矩陣單元輻射矩陣單元計(jì)算矩陣,[Kts],代表兩個(gè)或多個(gè)平面間的輻射效果。它包括計(jì)算多個(gè)平面的形狀因子:然后矩陣作為超單元(MATRIX50)在熱分析中計(jì)算溫度解。求解過(guò)程中，方程線性化(見(jiàn)8-17,18)用線性方程求解器迭代求解:[K’]是{T}的函數(shù)而[Kts]不是。因此，輻射矩陣不需要在每次迭代中計(jì)算。但是，這說(shuō)明隨溫度變化的發(fā)射率不能包括在內(nèi)。8-77輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

在使用輻射矩陣單元建立輻射模型有三個(gè)主要步驟。他們是:1.定義輻射面。2.生成輻射矩陣。3.在熱分析中使用輻射矩陣。8-78輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟1:定義輻射面1.建立在熱分析中使用的模型。2.在所有輻射平面上，覆蓋網(wǎng)格:LINK32單元在2D輻射面上或,SHELL57單元在3D輻射面上重要提示:

覆蓋的LINK32或SHELL57網(wǎng)格要與下面的實(shí)體單元在模型和階次上相適應(yīng)。

如果輻射面上有不同的發(fā)射率，保證在相應(yīng)的平面上指定不同的材料特性。8-79輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

重要提示(續(xù)):

覆蓋單元必須有正確的方向。

對(duì)于LINK32單元,單元的Y-軸正方向必須指向觀察面(輻射方向)。對(duì)于SHELL57單元,單元的Z-軸正方向必須指向觀察面(輻射方向)。

單元定位取決于生成的方法。例如，如果線用LINK32劃分，方向與線的方向相同。

打開(kāi)單元坐標(biāo)系標(biāo)號(hào)選項(xiàng)繪圖來(lái)查看單元定位是否正確。8-80輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟1:定義輻射面(續(xù))3. 定義結(jié)點(diǎn)(空間結(jié)點(diǎn))吸收所有未被其他平面吸收的輻射能量。空間結(jié)點(diǎn)的位置可以選擇?？臻g結(jié)點(diǎn)在開(kāi)放系統(tǒng)中需要。對(duì)于封閉系統(tǒng)，不推薦使用空間結(jié)點(diǎn)?？臻g結(jié)點(diǎn)可以屬于一個(gè)單元或是單獨(dú)的，并帶有溫度約束。8-81輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟2:生成輻射矩陣進(jìn)入輻射矩陣單元:MainMenu>>RadiationMatrix選擇組成輻射面的所有結(jié)點(diǎn)和單元包括空間結(jié)點(diǎn)

(如果定義的話)。

8-82輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟2:生成輻射矩陣(續(xù)) 1.定義輻射面的發(fā)射率。缺省數(shù)值為。8-83輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型2. 指定施蒂芬-波斯曼常數(shù)，與熱分析中的單位統(tǒng)一(缺省為0.119e-10BTU/hr-in2-°R4)。3. 指定分析為2D,3D軸對(duì)稱或3D(缺省為3D)。4. 指定空間結(jié)點(diǎn)用于沒(méi)有被其他面吸收的輻射能量。8-84輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

5. 指定觀察過(guò)程使用HIDDEN或NON-HIDDEN方法(缺省為HIDDEN)。HIDDEN方法用于任何輻射面阻攔在其他平面的觀察線上時(shí)。NON-HIDDEN方法用于所有平面都是可以相互觀察的情況下。

6. 設(shè)置HIDDEN方法射線數(shù)目。增加射線數(shù)目將增加形狀因子的計(jì)算精度(缺省為20)。

8-85輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

7. 打開(kāi)打印鍵(如果需要的話)檢查形狀參數(shù)輸出。8. 將輻射矩陣寫到filename.sub

中在熱分析過(guò)程中用做MATRIX50超單元。8-86輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

9. 重新選擇熱模型中其他所有單元和結(jié)點(diǎn)。10.輻射矩陣可以作為超單元用在熱分析中了。8-87輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟3:使用輻射矩陣1.重新進(jìn)入前處理器。2.定義新的單元類型MATRIX50。改變關(guān)鍵選項(xiàng)K1為輻射子結(jié)構(gòu)。28-88輻射建模

使用輻射矩陣單元建立輻射模型

步驟3:使用輻射矩陣(續(xù))3. 劃分網(wǎng)格時(shí)選擇超單元作為當(dāng)前單元類型。(定義屬性)。4. 定義超單元，指定文件名為寫出的輻射矩陣單元。5. 刪除或不選輻射面上的覆蓋單元。6. 定義與絕對(duì)溫度的偏移量。7.進(jìn)入求解器并在空間結(jié)點(diǎn)上定義熱邊界條件，開(kāi)始計(jì)算。8-89輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析

問(wèn)題描述:情況1-鋁合金熱沉底座(1/2對(duì)稱模型)承受熱流載荷。葉片通過(guò)與空氣的對(duì)流冷卻。情況2-在情況1上添加輻射效果，使用hidden方法生成的輻射矩陣。情況3-在情況1上添加輻射效果，使用non-hidden方法生成的輻射矩陣。ANSYS情況2和情況3的輸入文件見(jiàn)附錄B8-90輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析

模型尺寸:8-91輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析

指南:熱沉材料為鋁合金，KXX=8.5BTU/hr-in-°F。使用BIN單位進(jìn)行分析。所有葉片的對(duì)流面其h為常數(shù)。使用帶有附加結(jié)點(diǎn)的SURF151單元施加對(duì)流。熱沉端面是絕熱的。Note:Notallmenusand步驟saredetailedinthefollowingpages.AdiabaticAdiabaticHeatFluxonBaseSurface8-92輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析熱載荷:熱流入底座=17BTU/hr-in2。熱沉頂端空氣溫度為90°F。葉片面上的換熱系數(shù)為0.01BTU/hr-in2-°F。沒(méi)有載荷的平面是絕熱的。附加假設(shè):這是開(kāi)放系統(tǒng)，因此沒(méi)有被葉片平面吸收的輻射將進(jìn)入空間結(jié)點(diǎn)。輻射只在葉片平面存在(非絕熱平面)。8-93基本過(guò)程

情況1-熱沉熱分析(無(wú)輻射)。定義數(shù)值參數(shù)如下:

base=.150 hgt=1.0 ttop=0.05 tbot=.150 fspc=.4手工定義8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和3個(gè)面。鏡象生成需要的模型。使用quadPLANE55單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。使用帶有附加結(jié)點(diǎn)的SURF151單元?jiǎng)澐秩~片外表面。施加熱流，對(duì)流和溫度載荷。運(yùn)行初始運(yùn)算，不帶輻射效果。Note:Useofscalarparametersisnotrequired.Itisdemonstratedonlyasoneofmanypossiblemethodsofgeneratinggeometry輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-94定義單元類型PLANE55和SURF151,設(shè)置關(guān)鍵選項(xiàng)。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-95輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析

定義材料特性;只需要KXX。8-96定義參數(shù)用于生成關(guān)鍵點(diǎn)。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-97畫關(guān)鍵點(diǎn)。8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)可以用于生成3個(gè)面。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-98用關(guān)鍵點(diǎn)生成的面。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-99第一次鏡象形成的圖形。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-100多次鏡象形成的最終模型。帶有顏色和號(hào)碼的繪制如下。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-101單元圖:PLANE55quad單元。注:使用全局單元大小為0.045英寸。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-102平面效果單元?jiǎng)澐值木€，要施加對(duì)流載荷。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-103將線上的結(jié)點(diǎn)分離以生成平面效果單元。使用*get命令得到模型中最大結(jié)點(diǎn)號(hào)，指定名字為“nn”。生成“附加結(jié)點(diǎn)”;指定結(jié)點(diǎn)號(hào)“nn+1”。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-104指定缺省屬性為類型2,SURF151并生成帶有附加結(jié)點(diǎn)的單元。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-105繪制帶有附加結(jié)點(diǎn)的SURF151單元。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-106繪制施加的載荷和邊界條件:對(duì)流和附加結(jié)點(diǎn)上的溫度。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-107繪制施加的載荷和邊界條件:熱流。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-108求解當(dāng)前步。本求解只包括熱流和對(duì)流載荷，輻射在后面施加。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-109檢查結(jié)果。列出響應(yīng)解。與輸入的熱比較。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-110與輸入的熱比較……17BTU/hr-in2*2.2in2=37.4BTU/hr輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-111繪制熱沉的溫度場(chǎng)分布。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-112基本過(guò)程

情況2-包括輻射效果;輻射矩陣-Hidden方法。進(jìn)入前處理器。定義新單元類型,LINK32。在輻射面上分離結(jié)點(diǎn)。生成LINK32單元，檢查方向。定義空間結(jié)點(diǎn)。使用輻射矩陣單元生成輻射矩陣，radheat.sub.重新進(jìn)入前處理器。定義新單元類型,MATRIX50。讀入矩陣文件radheat.sub生成輻射單元。在空間結(jié)點(diǎn)施加溫度。重新計(jì)算。注:不是所有菜單和步驟在后面詳細(xì)說(shuō)明。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-113重新進(jìn)入前處理器。定義單元類型3,LINK32。劃分網(wǎng)格之前，設(shè)置屬性為TYPE=3。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-114將輻射面上的結(jié)點(diǎn)分離以生成覆蓋的LINK32單元。生成LINK32單元使用ESURF命令。生成空間結(jié)點(diǎn)，指定結(jié)點(diǎn)號(hào)為“nn+2”。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析注:我們將平面效果單元的附加結(jié)點(diǎn)用做空間結(jié)點(diǎn)。使用兩個(gè)結(jié)點(diǎn)我們可以分離各效果并更容易的分析對(duì)流和輻射的分布。8-115 檢查覆蓋網(wǎng)格的方向…打開(kāi)單元坐標(biāo)系繪制檢查單元法線方向。單元法線方向很重要因?yàn)樗x了輻射的方向(觀察方向)。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-116打開(kāi)單元坐標(biāo)系符號(hào)繪制LINK32單元。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-117開(kāi)始輻射矩陣定義。首先,定義發(fā)射率..輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-118定義“其他設(shè)置”施蒂芬-波斯曼常數(shù);與分析的單位一致。幾何模型類型;本題為2D。指定空間結(jié)點(diǎn)的號(hào)碼。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-119寫出輻射矩陣。選擇Hidden方法求解本問(wèn)題。指定samplingzones數(shù)目(缺省為20)。指定生成的輻射矩陣文件名。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-120重新進(jìn)入前處理器。定義超單元,MATRIX50并設(shè)置關(guān)鍵選項(xiàng)。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-121設(shè)置單元屬性為TYPE=4讀入超單元矩陣文件生成輻射單元。指定使用的文件名。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-122求解前刪除或不選LINK32單元。進(jìn)入求解器。設(shè)置分析選項(xiàng)。指定TOFFST合適數(shù)值,本例為460。在空間結(jié)點(diǎn)上施加溫度約束90°F。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-123重新進(jìn)入求解器?，F(xiàn)在包括了輻射效果，分析為非線性的。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-124進(jìn)入后處理器查看結(jié)果。注意輻射的貢獻(xiàn)和對(duì)流的貢獻(xiàn):結(jié)點(diǎn)813(nn+1)SURF151單元的“附加結(jié)點(diǎn)”有對(duì)流載荷。結(jié)點(diǎn)814(nn+2)空間結(jié)點(diǎn)用于輻射求解。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-125包含輻射的熱沉溫度場(chǎng)分布。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-126基本步驟

情況3-包括輻射效果-Non-Hidden方法。讀入數(shù)據(jù)庫(kù)heatsink.db。(注:使用HIDDEN方法生成輻射矩陣的相同網(wǎng)格可以在Non-Hidden方法中使用。)選擇組成“bay1”的線和線上的結(jié)點(diǎn)。同時(shí)選擇空間結(jié)點(diǎn)。進(jìn)入輻射矩陣單元并指定發(fā)射率，施蒂芬-波斯曼常數(shù)，幾何形狀和空間結(jié)點(diǎn)，與Hidden方法中所做的一樣。選擇NON-HIDDEN方法進(jìn)行分析。寫出輻射矩陣文件bay1。在所有六個(gè)bay和葉片頂部平面重復(fù)，生成7個(gè)輻射矩陣文件。重新求解。注:不是所有菜單和步驟在后面都詳細(xì)敘述。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-127本圖確認(rèn)了包含在輻射矩陣中的平面，使用NON-HIDDEN方法。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析葉片頂端平面(在圖中圈出)要作為單獨(dú)的輻射矩陣。8-128繪制bay1中選擇的圖素。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-129選擇好bay1的線后,選擇相連的結(jié)點(diǎn)和單元，包括空間結(jié)點(diǎn)。注:這個(gè)選擇過(guò)程在使用NON-HIDDEN方法時(shí)必須完成。non-hidden方法可以用于本分析因?yàn)槊總€(gè)bay的平面只能相互見(jiàn)到。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-130檢查輻射矩陣的設(shè)置，指定空間結(jié)點(diǎn)號(hào)碼。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-131指定輻射矩陣文件名和NON-HIDDEN方法..重復(fù)這些步驟知道所有7個(gè)文件已經(jīng)生成。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-132定義好新的單元類型,MATRIX50,生成輻射單元，使用7個(gè)在前面步驟中生成的文件。重新求解，并比較結(jié)果。輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-133熱沉中的溫度場(chǎng)分布,NON-HIDDEN方法。與HIDDEN求解的結(jié)果比較，他們是不同的:輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析8-134響應(yīng)求解列表，使用NON-HIDDEN求解。與前面HIDDEN方法比較并檢查它們沒(méi)有不同:輻射例題

使用輻射矩陣單元的熱沉分析第8章相變分析9-136本章簡(jiǎn)介相變術(shù)語(yǔ)理論材料特性瞬態(tài)分析指南例題-飛輪的鑄造使用熱焓材料特性通用后處理時(shí)間歷程后處理9-137

相-物質(zhì)的一種確定原子結(jié)構(gòu)形態(tài)，均勻同性。有三種基本的相:

相變-系統(tǒng)能量的變化(增加或減少)可能導(dǎo)致物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

通常的相變過(guò)程稱為固結(jié)，溶化，汽化或凝固。術(shù)語(yǔ)GasLiquidSolid9-138ANSYS應(yīng)用性ANSYS涉及相變的重要有限元應(yīng)用有:液體的凝固或固結(jié)固體的溶化液-汽

相變問(wèn)題需要的熱傳遞分析后進(jìn)行流體分析。許多計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件可以處理液-汽流動(dòng)和相變。相變分析必須使用瞬態(tài)熱分析求解。本章主要講解典型的相變問(wèn)題：金屬的凝固過(guò)程。9-139潛在熱量當(dāng)物質(zhì)相變時(shí)，溫度保持不變。例如，冰在0°C準(zhǔn)備溶解。 熱量輸入冰中，冰轉(zhuǎn)化為水。冰完全轉(zhuǎn)化為水時(shí)，溫度還是0°C。當(dāng)溫度不變時(shí)，熱量到哪里去了?熱量在物質(zhì)粒子狀態(tài)改變過(guò)程中被吸收了。在物質(zhì)相變種需要的熱量稱為溶化的潛在熱量

。 9-140熱焓相變分析必須考慮材料的潛在熱量。熱焓材料特性(ENTH)用來(lái)計(jì)入潛在熱量。熱焓由密度和比熱得出，在相變分析中應(yīng)作為材料特性輸入。模型中其它材料應(yīng)輸入密度和比熱數(shù)值。只要定義材料的比熱和密度或熱焓；而非全部。熱焓數(shù)值隨溫度變化。因此，熱分析是非線性的。9-141熱焓(續(xù))在相變分析中，熱焓數(shù)值必須作為材料特性輸入。經(jīng)典(熱動(dòng)力學(xué))熱焓數(shù)值單位是能量單位，為kJ或BTU。單位熱焓單位為能量/質(zhì)量，為kJ/kg或BTU/lbm。ANSYS熱焓材料特性單位為能量/體積，為KJ/m3或orBTU/ft3.如果熱量/體積熱焓數(shù)值在某些材料中不能使用時(shí)，它可以用密度、比熱和物質(zhì)潛在熱量得出。9-142相變?cè)谙嘧兎治鲋?，固體和液體并存的情況下，溫度會(huì)有很小的變動(dòng)。物質(zhì)完全呈現(xiàn)液態(tài)的溫度(液體溫度)為Tl。物質(zhì)完全呈現(xiàn)固態(tài)的溫度(固體溫度)為Ts.通過(guò)這樣兩個(gè)溫度，潛在熱量效果包括進(jìn)有限單元生成過(guò)程中。9-143潛在熱量和比熱的關(guān)系潛在熱量TlTsH“Mushyzone”Ts=固體溫度Tl=液體溫度注:本圖中,Tl-Ts很小。對(duì)于純材料，Tl-Ts

應(yīng)該為0。相變時(shí)熱焓變化相對(duì)溫度變化而言十分迅速。T9-144控制方程不隨相變改變此處計(jì)入相變系統(tǒng)產(chǎn)生相變時(shí)，其控制方程如下:9-145相變分析的求解進(jìn)行相變分析時(shí)，使用:打開(kāi)時(shí)間