NFX|1D单元传热分析
本文摘要：（由ai生成）
热传递是物理学中的热能传递现象，主要通过热传导、辐射和对流进行。midas NFX和midas MeshFree软件支持热传递分析，可处理稳态和瞬态传热，以及流体CFD分析。分析中考虑材料特性、边界条件和荷载条件，包括固定温度、对流、辐射和热通量等。热传递分析涉及热传导矩阵、温度向量和热荷载向量，使用有限单元模型进行计算。分析结果可展示温度分布、温度梯度和热流方向等。midas NFX默认考虑非线性，需定义荷载步骤。
热传递（或称传热）是物理学上的一个物理现象，是指由于温度差引起的热能传递现象。热传递中用热量量度物体内能的改变。热传递主要存在三种基本形式：热传导、热辐射和热对流。
midas NFX支持1D、2D、3D单元特性的传热分析（稳态、瞬态）以及流体CFD传热分析，支持热传导、热对流、热辐射、空腔辐射
midas MeshFree支持3D单元传热分析（稳态、瞬态），支持热传导、热对流、热辐射
材料
在热传递单元中可使用的材料有各向同性和各向异性。下表为结构材料与热传导材料间的关系。
各向同性热传导材料的热流(heat flux)与温度梯度(temperature gradient)的关系如下。
midas NFX的热传递分析基本步骤如下：
第一步：建立几何形状(可导入3D CAD生成的模型)
第二步：简化实体模型(编辑和修改、删除孔洞、圆角、小面、短线)
第三步：划分网格(对几何形状划分网格)
第四步：定义材料特性(输入热传导率、比热、密度等信息)
第五步：定义边界条件和荷载条件(输入固定温度、对流、辐射、发热、热通量等信息)
第六步：设置分析工况并运行(定义控制参数和分析类型)
第七步：查看结果(温度、热通量，需确认热流结果时可增加要查看的结果项)
热传递分析的荷载条件及边界条件
边界条件有固定温度、对流条件、辐射等。
荷载有结构体内部的发热条件和从外部流入的热流条件
传导
conduction
物体温度升高是由于有热量传入使得构成物体的分子运动变得活跃。物体被加热时由于分子间的撞击而产生震动，这种连锁反应会持续发生直到不存在温度差为止。像静止的流体或固体状态的物质由相邻分子的运动导致热量传递的现象叫做传导。热传导率(thermal conductivity)是体现热传导能力的材料特性。
初始温度
initial temperature
作为结构体生成时的温度，是热传递分析的初始条件。进行瞬态热传递分析时必须指定初始温度，稳态热传递分析可不设定初始温度，但会对解的收敛性有影响。
固定(强制)温度
specified temperature，prescribed temperature
可在指定位置(点、线、面、局部)输入固定温度，如下图所示在主菜单上点击固定温度命令。指定为固定温度的区域始终维持给定的温度，因此属于约束条件。
固定温度与初始温度区别
•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)
对流
convection
在液体或气体中，高温部分与低温部分相互移动而产生的热传递现象叫做对流。像泵一样强制使流体在物体表面流动，人为产生对流的情况叫做强制对流(forced convection)，流体内的温差造成密度变化并产生浮力而发生的对流叫自然对流(free convection)。对流的热传导率一般与温差成正比结构处于室外环境中时需要输入大气温度和大气对流系数，一般在自然对流的情况下大气对流系数可输入1E-005~2E-005(mm²·[T])。
辐射
相隔的物体之间虽然其间不存在介质，也会有电磁波形式的能量交换，这叫做辐射。
输入辐射条件时应先输入物体所处大气温度。辐射率最大的物体被称为黑体(Black Body)，将黑体的辐射率设为ε=1，一般物体的辐射率的范围为0≤ε≤1。吸收率α表示对表面辐射的吸收程度，其范围为0≤α≤1。一般来说辐射率与吸收率可输入相同的值。
形状系数也叫视角系数，是为了评价两个表面之间相对方向对辐射热传递的影响的系数，形状系数的取值范围也是0≤F≤1。系数值为0时表示两个表面不直接相对，系数值为1时表示两个表面完全相对。
绝缘
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
稳态热传递分析
steady state heat transfer analysis
稳态是指能量平衡的状态，即流入的能量与流出的能量相等的状态。开始加热时随着时间的变化结构的温度会逐渐升高。经过一段时间后，流入与流出的热能将相等达到稳定状态。在稳定状态中将不再发生温度变化，计算稳定状态下的温度分布的分析叫做稳态热传递分析。
瞬态热传递分析
transient heat transfer analysis
除了稳态之外结构体的温度会随着时间变化，考虑不同位置的温度随时间变化的的分析称为瞬态热传递分析。
热传递分析的控制方程
K：热传导矩阵
T：温度向量
R：热荷载向量
与线性静力分析的控制方程比较，热传导矩阵相当于刚度矩阵，温度向量相当于位移向量，热荷载向量相当于荷载向量。材料的热传导率只用于热导矩阵，发热荷载与热通量只用于热荷载向量。对流条件和辐射条件对热传导矩阵和热荷载向量有影响。
热传递分析的准备工作
在热传递分析的材料特性中最重要的是热传导率。在边界条件中有固定温度，荷载条件中有热通量和发热荷载。对流条件与辐射条件既是边界条件也具有荷载的特性。
热传递分析中使用的有限单元模型与结构分析相同。但在结构分析中应力集中部位需要细分单元，在热传递分析中却是没必要细分。热传递分析的主要分析结果为温度分布和温度梯度，温度分布将作为结构分析的温度荷载用于热应力分析热传递分析的材料特性
热传递分析中不需要结构分析中的弹性模量和泊松比，但是必须输入热传导率。热传导率的输入方法与线性静力分析中输入材料特性的方法相同。
热传递分析的单元信息
热传递分析中使用的单元和单元特性与静力结构分析模型相同。
热传递分析模型
用与线性静态分析的建模方法相同，虽然划分网格时可以不考虑应力集中部位，但是如果后续做热应力分析，还是需要细分应力集中部位的网格。
运行热传递分析
在midas NFX的热传递分析默认考虑非线性，因此需要定义荷载步骤。如果模型中不存在温度依赖性或类似辐射的非线性，那么可将荷载步骤设置为1。
热传递分析结果
在热传递分析中最重要的结果是温度分布、温度差引起的温度梯度、热流方向和大小等。热传递分析的温度分布结果为节点温度，一般用于结构分析的温度荷载。用表格形式查看节点的温度分布和温度梯度的方法如下图
使用表格形式查看节点温度分布的方法
使用表格形式查看温度梯度的方法
更多参考资料
固体热（结构场）
流场热（CFD）
【小王说流体】热流分析and流固热多场耦合get！midas NFX CFD传热分析功能介绍！
