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热分析基本概念教学课件PPT.ppt

热分析基本概念教学课件PPT

仙人指路 2018-04-19 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《热分析基本概念教学课件PPTppt》,可适用于计划/解决方案领域,主题内容包含第八课热分析基本概念热分析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。热分析在许多工符等。

第八课热分析基本概念热分析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。ANSYS的热分析在ANSYSMultiphysics、ANSYSMechanical、ANSYSThermal、ANSYSFLOTRAN、ANSYSED五种产品中包含热分析功能,其中ANSYSFLOTRAN不含相变热分析。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。符号下列符号在全文中的意义如下:ANSYS中标准单位(SI)温度热流量热传导率密度比热对流换热系数热流温度梯度内部热生成DegreesC(orK)WattsWatts(meterdegreeC)kilogram(meter)(Wattsec)(kilogramdegreeC)Watt(meterdegreeC)Watt(meter)degreeCmeterWatt(meter)热传递的类型热传递有三种基本类型:传导两个良好接触的物体之间的能量交换或一个物体内由于温度梯度引起的内部能量交换。对流在物体和周围介质之间发生的热交换。辐射一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。在绝大多数情况下我们分析的热传导问题都带有对流和或辐射边界条件。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:式中为热流密度(Wm)为导热系数(Wm)ldquordquo表示热量流向温度降低的方向。热传导的典型的是热通量正比于温度梯度。热传导在不同介质中产生的机理是不同。理论上在气体中,是通过分子间的碰撞实现的在流体中,是通过分子通过在其相邻的其它分子为其形成的ldquo笼子rdquo中的振动实现时的在金属中主要是通过在金属电子运动来传递热的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: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)为固体表面的温度为周围流体的温度。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mdash波尔兹曼方程来计算:式中为热流率为辐射率(黑度)为斯蒂芬-波尔兹曼常数约为timesWmKA为辐射面的面积为由辐射面到辐射面的形状系数为辐射面的绝对温度为辐射面的绝对温度。由上式可以看出包含热辐射的热分析是高度非线性的。传导传导的热流由传导的傅立叶定律决定:负号表示热沿梯度的反向流动(ie,热从热的部分流向冷的)对流对流的热流由冷却的牛顿准则得出:对流一般作为面边界条件施加TBTs辐射从平面i到平面j的辐射热流由施蒂芬玻斯曼定律得出:在ANSYS中将辐射按平面现象处理(ie,体都假设为不透明的)。热力学第一定律能量守恒要求系统的能量改变与系统边界处传递的热和功数值相等。能量守恒在一个短的时间增量下可以表示为方程形式将其应用到一个微元体上就可以得到热传导的控制微分方程。EEEEstoredinthrutheboundaryoutthrutheboundarygenerated=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=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)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,Q。有限元方法将控制微分方程转化为等小的积分形式(参阅ANSYS理论手册第节)。热通量和热生成率热通量是指单位时间、单位面积发射或接收的热能,通常以q表示展开的控制方程有限元热分析中的基本符号求解连续性温度在一个单元中和单元内部边界上是连续的(ie,单值的)温度梯度和热流在一个单元中是连续的在单元内部边界上是不连续的能量平衡在每个结点上都能够满足因为基本方程表示了结点能量平衡。热传导的傅立叶定律满足因为它用于推导基本方程并用于从单元温度梯度中求解单元热流。有限元热分析中的基本符号(续)一般来说稳态分析中网格上结点温度比实际温度要低。也就是说如果加密网格温度将增加但加密到一定程度结果将不显著增加(ie,结果收敛)。T网格密度如何使热传递分析包括非线性传热问题可以是非线性的因为材料特性受温度或因边界条件是非线性的。通常情况下性能材料非线性与温度相关的是轻度的该属性不随温度的变化迅速。然而当潜热效应计算在内分析可能是严重的非线性的。何时需要定义比热和密度瞬态问题,这些数值用于形成比热矩阵(该矩阵表示瞬态分析中需要的热能存储效果)稳态分析中包括有热质量传递效果(ie,模型中有流动导体介质)与结构分析的比较结构位移力均布载荷应变应力温度分布内部载荷塑性基础无接触热温度热流率热流(施加的)温度梯度热流(计算的)内部热生成(heatvolume)无对流辐射恒温器对于熟悉结构分析的人来说下面的表格将是非常有帮助的:单元库Dthermalnetworkelements(可以使用在D,D和D单元中)。LINKRadiationLinkLINKDConductionBarLINKDConductionBar单元库Dthermalnetworkelements(续)LINKNodeNodeConvectionLinkMASSLumpedThermalMass可以用于定义与温度有关的热源单元库控制单元允许用户在有限元模型中加入反馈。最简单的方法恒温器!根据控制结点K或L的温度或温度差一阶或二阶导数温度积分或时间程序可以打开或关闭结点I和J之间的热流。COMBINNodeNodeControlElement单元库Dsolids传导平面或轴对称(几何,载荷,材料特性)对于轴对称性质全局笛卡儿坐标x为径向且所有x坐标必须PLANEPLANE单元库Dsolids传导(续)PLANE单元库Dsolids传导(续)谐波单元(几何和材料特性轴对称但边界条件非轴对称)。全局笛卡儿坐标x为径向且所有x坐标必须。使用傅立叶级数载荷迭加技术,因此单元限于线性分析。PLANEPLANE单元库DsolidsconductionSOLIDSOLIDSOLID单元库壳单元包括D平面内的传导和平面外的对流SHELL单元库D热流单元同时求解带泵效应的D伯努利方程和D带质量传递效果的热传递(耦合场)可以在对流中连接平面效果单元用户可对边界条件编制程序FLUID单元库热平面效果单元用于施加多种平面载荷(eg,对流和热流)到实体单元的平面或连接到热流单元(Fluid)来提供平面信息(平面温度面积等)。也可以提供热生成载荷(需要厚度实参)。D(平面和轴对称)SURF单元库DSURF稳态热分析模型例子

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