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结构|传热分析

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传热发生的原因

发生热传递的基本要求是存在温差

  (温度相同的两个物体不会发生热传递)

热传递:热量从温度高的物体传到温度低的物体

传热方式


热传导(Conduction)
物体或系统内部存在温度差
本质是由于分子热运动而互相撞击,热量从温度高的物体传到温度低的物体
热对流(Convection) ®自然对流,强制对流
流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程
扩散(Diffusion)和平流(Advection)
※ 强制对流影响比较大®CFD 分析
热辐射(Radiation)
物体具有温度而辐射电磁波的现象
不需要介质
热传导(Conduction)
傅里叶热传导定律(Fourier’s law of heatconductivity)

由于物体中存在温度梯度,热能在分子间相互移动的现象称为热传导

导热系数(ThermalConductivity)
表示物体传递热量的快慢
导热系数越大,传热越快

各种材料在室温下的导热系数

热对流(Convection)

牛顿冷却定律(Newton’s law of cooling)
对流换热:物体(固体)与外部流体之间的传热
自然对流和强制对流

  <自然对流>由纯温差引起的流体运动

  <强制对流>强制流动,如风扇、冷却水等

对流换热系数(FilmCoefficient)
需要通过实验测量
取决于固定表面的状态,流体的粘度、密度和速度等
如果强制对流的影响比较大,需要进行CFD分析

总传热系数
总传热系数受传热介质的厚度和导热系数的影响
在计算总传热系数时,需要考虑对流传热系数的影响

热辐射(Radiation)

黑体 (Blackbody)
  理想化的物体,能够吸收外来的全部辐射,不发生反射和透射 → 发射率 = 1
发射率(Emissivity)
  真实物体的辐射能量与同温度下黑体的辐射能量之比


固体与周围环境之间的电磁能量交换现象
不需要介质
腔体辐射(CavityRadiation)
腔体空间内表面之间的辐射热交换
考虑表面的形状和方向
辐射热交换的区域是光线能够直接到达的地方
需要计算不能发生辐射热交换的区域
有精确计算方法和积分逼近方法
传热
ž热量从温度高的传到温度低的
ž<结果> 温度, 热通量(HeatFlux)
传热结构的响应
ž温度分布的变化
ž结构的热稳定性
®热应力/ 热变形
传热分析的类型
ž热传递分析
ž热固耦合分析

稳态传热分析
具有恒定的热流量和热通量,温度分布达到平衡状态,不随时间发生变化
荷载和边界不随时间变化
当温度达到平衡状态后,可以查看最高温度的位置,以及温度引起的热变形和热应力

传热分析条件
固定温度指定一个不变的温度值
                   → 适用于温度不变的地方
初始温度指定传热开始前的温度
                  (注意与固定温度的区别)
热对流(Convection):固体表面与周围流体之间的热交换
热通量(Heat Flux)应用于固体表面热量流入流出的情况           

  → 单位面积热流量(W/m2),有方向性(+)热吸收(-)热损失

热源(Heat Generation): 应用用固体内部产生热量的情况
  → 单位体积的热流量(W/m3)
绝缘(Insulation): 没有热量的输入/输出
  → 没有施加荷载和边界的表面认为是绝缘状态
  → 对称表面是绝缘状态

瞬态热传递分析

热流量、热流密度和温度随时间发生变化
边界条件和荷载随时间发生变化
用于获取随时间变化的温度或获取温度达到稳定状态的时间

时间函数

时间函数定义:如果分析条件(固定温度,热对流,热通量,热量等)根据时间发生变化,则需定义时间函数。
实际施加的热荷载=热荷载值X 时间函数

时间步长设置

进行瞬态传热分析时,必须设置要分析的时间和时间步长。
总时间:输入总分析时间
时间步骤数量:将总时间分成多少步骤来进行分析
中间步骤输出: 每N步输出结果

热分析传感器

当特定节点温度达到指定温度时停止分析的条件
*当您要计算特定位置达到特定温度的时间时
(1) 在该位置的参考节点上设置传感器条件 (®可以设置最大值/最小值/平均值)
(2) 瞬态传热分析的时间足够长
(3) 当达到指定温度时,传感器激活,分析停止
(4) 使用传感器的工作时间计算达到特定温度的时间

热应力

当温度升高时,物体膨胀;当温度降低时,物体收缩。
热应变(ThermalStrain)

•热膨胀系数(coefficientof thermal expansion, [1/℃] )

   每单位温度应变

•长度为L的物体所有位置的温度均匀变化时

如果对物体的膨胀/收缩没有限制,那么温度变化不会导致物体内部产生应力

•当对物体的膨胀/收缩有限制时,温度变化就会导致物体内部产生应力,这就是热应力(ThermalStress)


热应力分析

热传递分析之后将温度分布结果转化为热荷载并执行结构分析


热应力分析条件

输入热膨胀系数 : 为了进行热应力分析,输入弹性模量、泊松比和密度的同时,输入热膨胀系数
初始温度 : 指定传热开始前结构/系统的温度
            (必须输入初始温度才能计算ΔT)

热应力分析条件

约束:必须输入限制分析对象变形的约束条件
荷载: 输入温度以外的荷载条件
温度荷载:将热分析的温度分布转化为热荷载
                (热应力分析能自动将热分析的温度分布结果转化为热荷载)
热应力分析流程


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来源:midas机械部落
FluxMeshFree材料
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首次发布时间:2022-11-16
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