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ANSYS 热分析指南 (8)  

2010-12-06 07:28:54|  分类: ANSYS 热分析 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第五章  热辐射

一、什么是热辐射

    辐射是一种通过电磁波传递能量的方式。电磁波以光速传播且无需任何介质。热辐射仅为电磁波谱中的一小段。因为由热辐射引起的热流与物体表面绝对温度的四次方成正比,因此热辐射分析是高度非线性的。

    ANSYS 中关于辐射的重要假设和方法
    1. ANSYS 认为辐射是平面现象,因此适合用不透明平面建模。
    2. ANSYS 不直接计入平面反射率考虑到效率,假设平面吸收率和发射率相等 (a = e) 。因此,在  ANSYS 辐射分析中只需要定义发射率特性
    3. ANSYS 不自动计入发射率的方向特性,也不允许发射率定义随波长变化。发射率可以在某些单元中定义为温度的函数。
    4. 所有分隔辐射面的介质在计算辐射能量交换时都看作是非参与 (不吸收也不发射辐射能量)

二、分析热辐射问题

      ANSYS 提供了三 种方法分析热辐射问题:

          ·      用 LINK31,辐射线单元,分析两个点或多对点之间的热辐射;

          ·      用表面效应单元 SURF19 或 SURF22,分析点对面的热辐射;

          ·      用 AUX12,热辐射矩阵生成器,分析面与面之间的热辐射

     以上三种方法既可用于稳态热分析,也可用于瞬态热分析。

     热辐射分析要注意温度的单位制,因为计算热辐射使用的温度单位是绝对温度。如果在加载时使用的是华氏温度,就要设置460的差值;如果为摄氏温度,差值为273

           命令: TOFFST

           GUI:  Main Menu > Preprocessor > Loads > Analysis Options

           GUI:  Main Menu > Solution > Analysis Options


三、使用 LINK31 - 辐射线单元

     LINK31 是一个两节点的非线性线单元,用于计算由辐射引起的两点之间的热传递。此单元要求输入如下的实常数:

          ·      有效的热辐射面积;

          ·      形状系数;

          ·      辐射率;

          ·      Stefan-Boltzmann 常数。


四、使用表面效应单元

     表面效应单元可以方便地分析点与面之间的辐射传热。SURF19 用于二维模型,SURF22 用于三维模型。单元应设置为包含辐射 KEYOPT(9)


五、使用 AUX12 - 辐射矩阵生成器

     此方法用于计算多个辐射面之间的辐射传热。这种方法生成辐射面之间的形状系数矩阵,并将此矩阵作为超单元用于热分析。

     AUX12 方法由三个步骤组成:

          ·      定义辐射面

          ·      生成辐射矩阵

          ·      在热分析中使用辐射矩阵

    1.  定义辐射面

       (1)  在 PREP7中建模、划分网格。辐射面往往是 3D 模型中的面或 2D 模型中的边,如下图所示:

                         ANSYS 热分析指南 (8) - htbbzzg - htbbzzg的博客 

       (2)  在辐射表面用 SHELL573D)或 LINK322D)划分网格。最好的方法是先选择辐射表面的节点,然后用如下方法创建 SHELL57 或 LINK32 单元:

           命令: ESURF

           GUI:  Main Menu > Preprocessor > Create > Elements > On Free Surf

       注意:辐射面上的 SHELL57 或 LINK32 单元与节点必须与实体单元的表面单元和节点相吻合,否则计算的结果是不正确的。

       生成的 SHELL57 或 LINK32 单元的取向也很重要。AUX12 假定辐射的方向是 SHELL57 的 +Z 向,或 LINK32  的 +Y 向。因此在生成 SHELL57 或 LJNK32 单元时要注意节点的排列顺序。如图所示:

                        ANSYS 热分析指南 (8) - htbbzzg - htbbzzg的博客
 

       (3)  如果所分析的系统是开放的,即一个面所辐射的热能未被模型中其它的面吸收,则必须定义一个空间节点,用于吸收损失的辐射热量。这个节点的位置是任意的。对于封闭的系统,不应定义空间节点。


2、生成辐射矩阵

      1) 进入 AUX12

      命令: /AUX12

      GUI:  Main Menu > Radiation Matrix

      2) 选择组成辐射面的节点和单元。比较方便的方法是根据单元类型选择单元,并选择单元上的节点。有关选择目标的技巧,请参阅《ANSYS Basic Analysis Guide

      3) 确定模型是 3D 还是 2D

      命令:  GEOM

      GUI:   Main Menu > Radiation Matrix > Other Setting

      AUX12 用不同的算法计算 2D 或 3D 模型的形状系数。AUX12 默认为 3D2D 分为纯平面或轴对称,默认为纯平面。

      4)定义每个辐射面的辐射率(默认为 1):

      命令:  EMIS

      GUI:   Main Menu > Radiation Matrix > Emissivities

      5) 定义 Stefan-Boltzmann 常数(默认为英制单位 0.199E-10 Btu/hr-in2-R4

      命令:  STEF

      GUI:   Main Menu > Radiation Matrix > Other Settings

      6) 确定用什么方式计算形状系数:

      命令:  VTYPE

      GUI:   Main Menu > Radiation Matrix > Write Matrix

    选择是隐藏还是非隐藏方法:

      ·      非隐藏方法计算每两个单元之间的形状系数,无论它们之间有无障碍;

      ·      隐藏方法(默认)用一种隐藏线算法判断两辐射面之间是否“可见”,如果可见则计算形状系数。

    (7)如为开放系统,定义空间节点:

    命令:  SPACE

    GUI:   Main Menu > Radiation Matrix > Other Settings

    (8)计算辐射矩阵并写入 jobename.sub 文件:

    命令:  WRITE

    GUI:   Main Menu > Radiation Matrix > Write Matrix

        如果要打印此矩阵,在执行上述命令之前输入 MPRINT1

    (9)选择所有的节点和单元


3、在热分析中使用辐射矩阵

    (1) 重新进入 PREP7,定义一个新的单元类型 MATRIX50(超单元);

    (2) 将单元类型指向超单元:

    命令:  TYPE

    GUI:   Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Elem Attributes

    (3) 读入超单元矩阵:

    命令:  SE

    GUI:   Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Superelements > From .SUB File

    (4) 不选择或删除用于生成辐射矩阵的 SHELL57 或 LINK32 单元:

    命令:  EDELE

    GUI:   Main Menu > Preprocessor > Modeling > Delete > Elements

    (5) 进入 /SOLUTION 施加其它热载荷并求解。

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