對(duì)流選項(xiàng)及熱流單元...ppt

1、其它對(duì)流/熱流密度載荷選項(xiàng) 和簡(jiǎn)單的熱/流單元,對(duì)流/熱流作為面載荷施加,對(duì)流和熱流密度邊界條件可以作為面載荷施加 : 幾何模型(2-D中的線(xiàn), 3-D中的面), 忽略模型是否已經(jīng)劃分網(wǎng)格 ( ANSYS SFL, SFA 命令 ) 在單元面上 ( ANSYS SFE 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 。ANSYS SF 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。,表面效應(yīng)單元,表面效應(yīng)單元; SURF151 (2-D), SURF152 (3-D), 可以覆蓋在任何2-D 熱實(shí)體 (除了

2、諧波單元PLANE75和PLANE78) 或 3-D 實(shí)體單元上。,SURF152,SURF151,為何使用表面效應(yīng)單元?,給出了更多的靈活性，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(hù)對(duì)相同單元面或區(qū)域施加多個(gè)平面載荷(如熱流密度和對(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)表面熱生成效果建模，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))。,為何使用表面效應(yīng)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

3、模型區(qū)域?qū)Ρ砻鏌崃髅芏群蛯?duì)流結(jié)果進(jìn)行后處理時(shí)很方便。 當(dāng)附加節(jié)點(diǎn)溫度與介質(zhì)溫度相同時(shí)，提供了方便的手段(列出響應(yīng)熱流)得到的對(duì)流凈溫度損失/獲得。,表面效應(yīng)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)。 通過(guò)USERCAL命令激活USERCV用戶(hù)子程序，可以用SFE命令來(lái)修改指定的換熱系數(shù)。USERCV可以修改帶有或不帶附加節(jié)點(diǎn)的表面效應(yīng)單元上的換熱系數(shù)。這允許用戶(hù)在程序中使用特殊的換熱系數(shù)計(jì)算 (參考 ANSYS Programmers Manual 得到細(xì)節(jié))。 當(dāng)FLUID116單元與第三個(gè)節(jié)點(diǎn)相連時(shí)，其它計(jì)算換熱系數(shù)和介質(zhì)溫度的選項(xiàng)的時(shí)候也可

4、以使用。,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)不與表面單元一起使用，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(lèi)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)。 選擇要生成表面效應(yīng)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(lèi)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單元的表面效應(yīng)單元的過(guò)程見(jiàn)7-31)。,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(hù)將選擇或輸入節(jié)點(diǎn)號(hào)碼確認(rèn)附加節(jié)點(diǎn)。,1,2,Main MenuPreprocesso

5、rModelingCreateElements,創(chuàng)建不帶附加節(jié)點(diǎn)的表面效應(yīng)單元的步驟,在大多數(shù)情況下，表面效應(yīng)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)的表面效應(yīng)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(lèi)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。,創(chuàng)建不帶附加節(jié)點(diǎn)的表面效應(yīng)單元的步驟(續(xù)),1,2,注: 不帶附加節(jié)點(diǎn)的平面效果單元也可 以使用劃分線(xiàn)的操作得到 (LMESH)。 在使用這種方法時(shí)，平面效

6、果單元的坐 標(biāo)系將由線(xiàn)的方向確定而非覆蓋的實(shí)體 單元坐標(biāo)系。,Main MenuPreprocessorModelingCreateElements,表面效應(yīng)單元的圖形顯示,在缺省情況下，如果繪制單元圖，ANSYS將表面效應(yīng)單元象面一樣顯示，附加節(jié)點(diǎn)以點(diǎn)顯示。,附加節(jié)點(diǎn),面,表面效應(yīng)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)。,1,2,3,對(duì)流連接單元,對(duì)流連接單元(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

7、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)。,LINK34,對(duì)流連接單元 (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 。,接觸熱阻,兩個(gè)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,DT,T,x,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)。因?yàn)橛脤?duì)流連接單元（對(duì)于具有一致節(jié)點(diǎn)的面很

8、方便）定義的熱阻不是單元長(zhǎng)度的函數(shù)，因此對(duì)流單元比傳導(dǎo)桿單元好。 接觸熱阻的兩種方法在下面敘述。,Convection elements,Convection elements,使用對(duì)流連接單元進(jìn)行接觸熱阻建模,LINK34 對(duì)流連接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)。,使用對(duì)流連接單元進(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?lèi)型，材料特性和實(shí)常數(shù) 選擇接觸面上的節(jié)點(diǎn)序列 使用EINTF

9、命令自動(dòng)生成單元 :(Preprocessor Modeling Create Elements Auto-numberedAt Coincident Nodes),接觸面上的對(duì)流桿單元 (注: 平面邊緣的單元實(shí)參不同),為了清晰顯示而夸大了的面的分離,使用對(duì)流桿單元進(jìn)行接觸熱阻建模,2-D SURF151 和3-D SURF152 熱平面效果單元可以用于模擬接觸熱阻。 當(dāng)使用表面效應(yīng)單元時(shí)，使用兩個(gè)具有共同附加節(jié)點(diǎn)的表面效應(yīng)單元如圖。附加節(jié)點(diǎn)的位置不重要，但它們同屬于表面效應(yīng)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(lèi)

10、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。,為了清晰顯示而夸大了的面的分離,共享的附加節(jié)點(diǎn),1-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。,FLUID116,1-D 熱/流單元 - FLUID116 (續(xù)),溫度荷流分布為1-D (沿 I-J 軸)。 用戶(hù)可以指定流速 (使用SFE命令的HFLUX標(biāo)號(hào))，避

11、免非線(xiàn)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))。程序基于 Bernoullis 方程就可以通過(guò)流體網(wǎng)格方程計(jì)算壓力和流分布。 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(hù)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)。,1-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)。 使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS命令如 ACEL, OMEGA,可以考慮泵和其它慣性效果。,1-D 熱/流單元 - FLUID116 (續(xù)),一個(gè)單元的平衡方程為:,1-D 熱/流單元 - FLUID

12、116 (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(chēng)的，因此要需要更多的求解空間。 在Bernoullis 方程中,壓力降 (Pi - Pj)與流 (w) 不是線(xiàn)性關(guān)系，因此如果計(jì)算流速就需要非線(xiàn)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)).,FLUID116 單元選項(xiàng)描述,KEYOPT(1) 自由度 0, PRES and TEMP 1, TEMP 2, PRES

13、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,FLUID116 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)/2 1, 平均墻溫度(Tk+Tl)/2 2, 平均單元溫度(Ti+Tj+Tk+Tl)/4 3, 溫差=平均流體平均壁面,KEYOPT(4) 本選項(xiàng)決定如何定義換熱系數(shù) (見(jiàn) 7-29),FLUID116 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),對(duì)流熱傳遞到/從 FLUID116,定義對(duì)流

14、面的方法: 使用可選節(jié)點(diǎn) (K,L), 用戶(hù)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 - hydraulic diameter 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),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 Reynolds 數(shù)的函數(shù) Nusselt 數(shù)為 溫度和Reyno

15、lds 數(shù)的函數(shù) 使用用戶(hù)子程序 USER116HF (參考 ANSYS Programmers Manual),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(hù)子程序 USERCV 激活 USERCAL命令給出 hf 使用用戶(hù)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,與表面效應(yīng)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。

16、該宏迅速地以最近的FLUID116 結(jié)點(diǎn)作為 “附加結(jié)點(diǎn)”生成表面效應(yīng)單元。 LFSURF,Sline,Tline 使用表面效應(yīng)單元?jiǎng)澐志€(xiàn)組元 “Sline”并使用已經(jīng)在線(xiàn)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 使用表面效應(yīng)單元?jiǎng)澐置娼M元“Sarea”并使用已經(jīng)在線(xiàn)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(chēng)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)，表面效應(yīng)單元坐標(biāo)系根據(jù)相應(yīng)線(xiàn)方向或面的法線(xiàn)方向確定，不是象ESURF由覆蓋的實(shí)體單元法線(xiàn)確定。,與平面效果單元的接口 (續(xù)),本宏

17、可以在 GUI中使用，如下:,1,2,3,4,5,在選擇框中選擇面/線(xiàn)。,FLUID116 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/ft,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)

18、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) ANSYS Theory Manual 14.152.2) 用戶(hù)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),有質(zhì)量傳遞的熱分析例子,氣體飽和溫度為 220F在小的銅管熱交換器中凝聚。 銅管直徑為5/8” ，壁厚為0.083”。 70F水以10 ft/sec的速度

19、進(jìn)入管中。,ANSYS 輸入文件見(jiàn)附錄 B,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(chēng)模型和邊界條件，穩(wěn)態(tài)邊界 給出: 銅; K=60 BTU/(hr-ft-F) 水; K=0.347 BTU/(hr-ft-F) C=0.988 BTU/(lbm-F) DENS=1.5E-7 lbf-hr2/ft4 Ho=1800 BTU/(hr-ft2-F) Hi = 2500 BTU/(hr-ft2-F),在熱質(zhì)量交換中必須定義 (不是瞬態(tài)效果),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，

20、網(wǎng)格尺寸，材料特性等 定義三種單元類(lèi)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(hù)提供質(zhì)量流動(dòng)因此單元是線(xiàn)性的 keyoption(2)=1, 對(duì)流信息傳遞給相連的SURF151,(Note: 建立模型和給定邊界條件的輸入文件在附錄 B中給出),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(chēng) 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

21、, 計(jì)算 Hf 在 (Ts+Tb)/2 PLANE55 - keyopt(3)=1, 軸對(duì)稱(chēng) 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*GC,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 ! In lbm/hr 質(zhì)量流=流/GC 定義FLUID116單元的實(shí)常數(shù) : hydraulic diameter (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。,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(xiàn)共用一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。這些線(xiàn)使用FLUID116 單元?jiǎng)澐帧?第一條線(xiàn)為 1 第二條線(xiàn)有一個(gè)單元 (0.083/12) 。 線(xiàn)方向是重要的，因?yàn)?/p>