有限元分析丨准静态载荷

本文，从两方面聊聊热阻：等效热阻和接触热阻。以前做CFD计算时，为了减少计算量，会用到等效热阻来替代结构壁面以及流体之间的热传递过程。看似有些投机取巧的方法，却非常好用。使用Workbench进行热分析时，热阻值会直接影响热量传递，表面温度均匀性，然而软件默认热阻是0，如何设置热阻，令人束手无策。1 认识热阻从热量传递的三种形式：热传导、热对流和热辐射，理解不同换热形式的热阻形式。1.1 热传导的热阻以平板热传导为例，理解热传导过程热阻概念。热流量为热传导过程中的转移量，温差是热量传导的动力，热阻是热量传导的阻力即热阻。热阻可以理解为抵抗热量传递的阻碍，热阻值取决于介质的几何形状和材料的热属性。1.2 热对流的热阻根据牛顿冷却公式，理解一个固体壁面表面对流换热的热阻。注意：① 对流换热系数非常大时h→∞，对流换热热阻趋于0，即Ts≈T∞，沸腾和凝结即这种情况；② 上述公式适合于任何几何形状，但要求表面对流换热系数h为常数；③ 导热热阻和对流热阻不是一回事。1.3 热辐射热阻根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，被气体包围的平板与周围环境的辐射换热，可以得到辐射热阻。辐射对流换热系数可以根据如下公式表示。注意：① 涉及辐射换热公式中，温度单位为K；② 辐射对流换热系数是由温度决定的，和牛顿冷却公式中的对流换热系数不同。辐射热阻分为空间辐射热阻和表面辐射热阻两种。式中：A1和A2为两个物体互相辐射的表面积；F1-2为辐射角系数；ε1为表面A1的辐射率。根据公式可知影响辐射热阻的参数是角系数和发射率。根据辐射热阻公式可知，降低角系数和减小辐射表面积都有助于增大空间辐射热阻，而减小表面辐射率，则可以增大表面辐射热阻。2 综合热阻2.1 认识综合热阻当热稳态状态时，根据：a1/a2=b1/b2=c1/c2=d1/d2=...=c那么，a1+b1+c1+d1+...=a2+b2+c2+d2+...=c则可得：注意：① 对于平板，换热面积是确定的，热流量为平板两侧环境温差除以总热阻；② 热阻之间是串联，可以根据串联电路总热阻计算方法计算，将热阻求和计算。2.2 例题下面引用《传热学》书中的例题进行说明。例题一：计算单层玻璃热损失1、问题描述：厚度8mm，0.8m×1.5m单层玻璃，导热系数为0.78W/（m.K），室外环境温度为-10℃，对流换热系数为40W/（m.K），室内温度为20℃，对流换热系数为10W/（m.K），进行稳态热分析计算。2、解决方法：如果要分析单层玻璃稳态时热损失，则需要获得玻璃内外表面温度值。3、假设：（1）通过玻璃传热是稳定的，表面温度保持在规定值；（2）通过墙壁的传热是一维的；（3）导热系数是恒定的。4、求解计算：则可的通过玻璃的传热量。根据公式（3-13）可得玻璃内表面温度例题二：计算双层玻璃热损失求解计算可以发现，双层玻璃损失热量约为单层玻璃的1/4，说明夹层中大空气热阻起到了隔热作用。2.3 等效热阻注意：这小节内容算是瞎叨叨，根据综合热阻的概念，可以得到等效对流换热系数。举个例子，对换热器结构进行CFD分析时，换热器结构为薄壳，进行网格划分有点麻烦，其实可以投机取巧的，只对内部流体区域进行分析计算，在原本流固交界面处设置等效对流换热系数。这样分析会简单好多，是不是很聪明。3 接触热阻先不写了。接触热阻很多东西可以写，周末再更新。其实是，想水一下，一篇文章分成两次发，就可以完成本月更文的目标啦！参考文献：传热学。 来源：认真的假装VS假装的认真