No Boundaries ANSYS热分析指南 第一章简介 、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 二、 ANSYS的热分析 ·在 ANSYS/ Multiphysics ANSYS/Mechanical ANS YS/Thermal ANSYS/ FLOTRAN、 ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/ FLOTRAN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。 三、 ANSYS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 四、耦合分析 热一结构耦合 热一流体耦合 热一电耦合 热一磁耦合 ·热一电一磁一结构耦合等
No Boundaries ANSYS热分析指南 —————————————————————————————————————————————— 第一章 简 介 一、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。 二、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 , 其 中 ANSYS/FLOTRAN 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。 三、ANSYS 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 四、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
No Boundaries ANSYS热分析指南 第二章基础知识 符号与单位 国际单位 ANSYS代号 时间 K Ibm 温度 OF 力 N Ibf 能量(热量) BTU 功率(热流率) BTU/sec 热流密度 BTU/sec-ft2 W/m3 BTU/sec-ft 导热系数 W/m-℃ BTU/sec-ft-oF KXX 对流系数 W/m2-℃BTU/sec-ft2F 密度 Ibm/ft3 DENS 比热 /Kg℃ BTU/bm-°F J/m3 BTU/ft3 ENTH 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律,即能量守恒定律 对于一个封闭的系统(没有质量的流入或流出 O-W=△U+△KE+△PE 式中:Q 热量 作功; ΔU—一系统内能 △KE—一系统动能; ΔPE—一系统势能 对于大多数工程传热问题:△KE=△PE=0 通常考虑没有做功:W=0,则:Q=△U; 对于稳态热分析:Q=ΔU=0,即流入系统的热量等于流出的热量; du 对于瞬态热分析:q∥’即流入或流出的热传递速率q等于系统内能的变化。 、热传递的方式 、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:q"=-k dT a’式中q”为热流
No Boundaries ANSYS热分析指南 —————————————————————————————————————————————— 第二章 基础知识 一、符号与单位 项目 国际单位 英制单位 ANSYS 代号 长度 m ft 时间 s s 质量 Kg lbm 温度 ℃ oF 力 N lbf 能量（热量） J BTU 功率（热流率） W BTU/sec 热流密度 W/m2 BTU/sec-ft 2 生热速率 W/m3 BTU/sec-ft 3 导热系数 W/m-℃ BTU/sec-ftoF KXX 对流系数 W/m2 -℃ BTU/sec-ft2 - oF HF 密度 Kg/m3 lbm/ft 3 DENS 比热 J/Kg-℃ BTU/lbmoF C 焓 J/m3 BTU/ft 3 ENTH 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: ⚫ 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 Q −W = U + KE + PE 式中: Q —— 热量; W —— 作功; U ——系统内能; KE ——系统动能； PE ——系统势能； ⚫ 对于大多数工程传热问题： KE＝ PE＝0 ； ⚫ 通常考虑没有做功： W = 0, 则： Q = U ； ⚫ 对于稳态热分析： Q = U = 0 ，即流入系统的热量等于流出的热量； ⚫ 对于瞬态热分析： dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率 q 等于系统内能的变化。 三、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： dx dT q = −k ，式中 q 为热流
No Boundaries ANSYS热分析指南 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:q"=h(T-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),T为固体表面的温度,T为周围流体的温度 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一波尔兹曼方程来计算 q=Ea1F2(T4-72),式中q为热流率,E为辐射率(黑度),σ为斯蒂芬一波尔 兹曼常数,约为567×103W/m2K4,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,T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。 四、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藏和q生-q=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}={ 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]、 {r}以及{e}。 五、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) [CKF+[KkT)=s 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 [为比热矩阵考虑系统内能的增加 T}为节点温度向量
No Boundaries ANSYS热分析指南 —————————————————————————————————————————————— 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： ( ) q = 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。 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 = A1F12 T1 − T 4 2 4 ( ) ，式中 q 为热流率， 为辐射率（黑度）， 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。 四、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） KT = 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 。 五、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）： CT KT 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；
No Boundaries ANSYS热分析指南 }为温度对时间的导数 为节点热流率向量,包含热生成。 六、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 q(r}+[K(){T=[e(m) 七、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、热流率、热流密度、 对流、辐射、绝热、生热。 八、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) 基于单元边界的热流密度的不连续 仅对一种材料、线性、稳态热分析有效 使用自适应网格划分可以对误差进行控制
No Boundaries ANSYS热分析指南 —————————————————————————————————————————————— T 为温度对时间的导数; Q 为节点热流率向量，包含热生成。 六、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)T K(T)T Q(T) + = 七、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、热流率、热流密度、 对流、辐射、绝热、生热。 八、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）； • 基于单元边界的热流密度的不连续； • 仅对一种材料、线性、稳态热分析有效； • 使用自适应网格划分可以对误差进行控制
No Boundaries ANSYS热分析指南 第三章稳态传热分析 、稳态传热的定义 稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析 以前,进行稳态热分析用于确定初始温度分布 稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、 热流率、热流密度等参数 二、热分析的单元 热分析涉及到的单元有大约40种,其中纯粹用于热分析的有14种: 线性: LINK32两维二节点热传导单元 LINK33三维二节点热传导单元 LINK34二节点热对流单元 LINK31二节点热辐射单元 维实体: PLANE55 四节点四边形单元 PLANE77 八节点四边形单元 PLANE35 三节点三角形单元 PLANE75 四节点轴对称单元 PLAnEs 八节点轴对称单元 三维实体 SOLID87 六节点四面体单元 八节点六面体单元 SOLID90 二十节点六面体单元 壳 SHELLS7 四节点 点MASS71 有关单元的详细解释,请参阅《 ANSYS Element Reference Guide》 、 ANSYS稳态热分析的基本过程 ANSYS热分析可分为三个步骤: 前处理:建模 求解:施加载荷计算 ·后处理:查看结果 、建模 ①、确定 jobname、 title、unit ②、进入PREP7前处理,定义单元类型,设定单元选项 ③、定义单元实常数; ④、定义材料热性能参数,对于稳态传热,一般只需定义导热系数,它可以是恒定 的,也可以随温度变化 ⑤、创建几何模型并划分网格,请参阅《 ANSYS Modeling and Meshing guide》
No Boundaries ANSYS热分析指南 —————————————————————————————————————————————— 第三章 稳态传热分析 一、稳态传热的定义 稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析 以前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。 稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、 热流率、热流密度等参数 二、热分析的单元 热分析涉及到的单元有大约 40 种，其中纯粹用于热分析的有 14 种： 线性： LINK32 两维二节点热传导单元 LINK33 三维二节点热传导单元 LINK34 二节点热对流单元 LINK31 二节点热辐射单元 二维实体：PLANE55 四节点四边形单元 PLANE77 八节点四边形单元 PLANE35 三节点三角形单元 PLANE75 四节点轴对称单元 PLANE78 八节点轴对称单元 三维实体 SOLID87 六节点四面体单元 SOLID70 八节点六面体单元 SOLID90 二十节点六面体单元 壳 SHELL57 四节点 点 MASS71 有关单元的详细解释，请参阅《ANSYS Element Reference Guide》 三、ANSYS稳态热分析的基本过程 ANSYS 热分析可分为三个步骤： • 前处理： 建模 • 求解： 施加载荷计算 • 后处理： 查看结果 1、建模 ①、确定 jobname、title、unit； ②、进入 PREP7 前处理，定义单元类型，设定单元选项； ③、定义单元实常数； ④、定义材料热性能参数，对于稳态传热，一般只需定义导热系数，它可以是恒定 的，也可以随温度变化； ⑤、创建几何模型并划分网格，请参阅《ANSYS Modeling and Meshing Guide》