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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 ℃ o F 力N lbf 能量（热量） J BTU 功率（热流率） W BTU/sec 热流密度 W/m 2 BTU/sec-ft 2 生热速率 W/m 3 BTU/sec-ft 3 导热系数 W/m-℃ BTU/sec-ft-o F KXX 对流系数 W/m 2-℃ BTU/sec-ft 2-o FHF 密度 Kg/m 3 lbm/ft 3 DENS 比热 J/Kg-℃ BTU/lbm-o F C 焓J/m 3BTU/ft 3ENTH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:l对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕PE KE U W Q ∆+∆+∆=−式中: Q —— 热量;W —— 作功;∆U ——系统内能; ∆KE ——系统动能； ∆PE ——系统势能；l 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ∆∆； l 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ∆=；l对于稳态热分析：0=∆=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； l对于瞬态热分析：dtdUq =，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。
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、材料和网格•分析求解：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》。
2、施加载荷计算①、定义分析类型●如果进行新的热分析：Command: ANTYPE, STATIC, NEWGUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state●如果继续上一次分析，比如增加边界条件等：Command: ANTYPE, STATIC, RESTGUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart②、施加载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件) ：a、恒定的温度通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上。
Command Family: DGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperatureb、热流率热流率作为节点集中载荷，主要用于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷)，如果输入的值为正，代表热流流入节点，即单元获取热量。
如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS读取温度值进行计算。
注意：如果在实体单元的某一节点上施加热流率，则此节点周围的单元要密一些，在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时，尤其要注意。
此外，尽可能使用热生成或热流密度边界条件，这样结果会更精确些。
6.9.4计算并验证形状系数选项然后可以计算形状系数，并验证和得到平均值。
计算并存储形状系数：命令：VFCALCGUI：Main Menu>Radiation>Compute可用如下命令列出所选择单元对的形状系数并计算平均系数：命令：VFQUERYGUI:Main Menu>Radiation>Query用如下命令可将平均系数提取出来：*GET,Par,RAD,VFAVG6.9.5设定载荷选项如果模型有均匀的温度，本步将设定初始温度。
还需要定义载荷步并将边界条件的变化形式设定为渐变。
对所有节点设定初始的均匀温度命令：TUNIFGUI:Main Menu>Solution>Settings>Uniform Temp设定载荷步数量或时间步命令： SUBST或DELTIMGUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequenc>Freq and Substps or Time and Substps Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequenc>Time-Time Step由于热辐射是高度非线性的，应设定渐变的边界条件命令： KBCGUI:Main Menu>Preprocessor>Loads>-Load StepOpts-Time/Frequency>Time-Time Step6.10静态热辐射分析的几点建议对于只有热流密度(HFLUX)或热流率（HEAT）边界条件的热辐射问题，或热辐射作为热传递主导方式的问题（即低导热系数），应采用“伪瞬态”求解方法来求解静态问题。
主要有如下三个步骤：1．在定义材料属性时，定义材料的密度和比热为常值。
设定这两个材料值的大小并不重要，因为最终是求解稳态问题；2．将求解类型设定为瞬态问题命令：ANTYPTGUI:Main Menu>Solution>New Analysis3．将准静态辐射分析求解为稳态问题命令：QSOPTGUI:Main Menu>Preprocessor>-Load StepOptions->Time/Frequency>Quasi-Static只有当SOLCONTROL,ON时，QSOPT命令才有效。
ANSYS热分析指南(第六章)第六章热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。
电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。
热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。
由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。
物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-86.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。
式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。
表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dAI 及dAJ，然后进行数字积分。
辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。
在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。
Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。
Temperature distribution in a CylinderWe wish to compute the temperature distribution in a long steel cylinder with inner radius 5 inches and outer radius 10 inches. The interior of the cylinder is kept at 75 deg F, and heatis lost on the exterior by convection to a fluid whose temperature is 40 deg F. The convection coefficient is 0.56 BTU/hr-sq.in-F and the thermal conductivity for steel is 0.69 BTU/hr-in-F.1. Start ANSYS and assign a job name to the project. Run Interactive -> set working directory and jobname.2. Preferences -> Thermal will show -> OK3. Recognize symmetry of the problem, and a quadrant of a section through the cylinder is created using ANSYS area creation tools. Preprocessor -> Modeling -> Create -> Areas -> Circle -> Partial annulusThe following geometry is created.4. Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/Delete -> Add -> Thermal Solid -> Solid 8 node 77 -> OK -> Close5. Preprocessor -> Material Props -> Isotropic -> Material Number 1 -> OKEX = 3.E7 (psi)DENS = 7.36E-4 (lb sec^2/in^4)ALPHAX = 6.5E-6PRXY = 0.3KXX = 0.69 (BTU/hr-in-F)6. Mesh the area and refine using methods discussed in previous examples.7. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Temperatures -> NodesSelect the nodes on the interior and set the temperature to 75.8. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Convection -> LinesSelect the lines defining the outer surface and set the convection coefficient to 0.56 and the fluid temp to 40.9. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Heat Flux -> LinesTo account for symmetry, select the vertical and horizontal lines of symmetry and set the heat flux to zero.10. Solution -> Solve current LS11. General Postprocessor -> Plot Results -> Nodal Solution -> TemperaturesThe temperature on the interior is 75 F and on the outside wall it is found to be 45. These results can be checked using results from heat transfer theory.BackThermal Stress of a Cylinder using Axisymmetric ElementsA steel cylinder with inner radius 5 inches and outer radius 10 inches is 40 inches long and has spherical end caps. The interior of the cylinder is kept at 75 deg F, and heat is lost on the exterior by convection to a fluid whose temperature is 40 deg F. The convection coefficient is 0.56 BTU/hr-sq.in-F. Calculate the stresses in the cylinder caused by the temperature distribution.The problem is solved in two steps. First, the geometry is created, the preference set to'thermal', and the heat transfer problem is modeled and solved. The results of the heat transfer analysis are saved in a file 'jobname.RTH' (Results THermal analysis) when you issue a save jobname.db command.Next the heat transfer boundary conditions and loads are removed from the mesh, the preference is changed to 'structural', the element type is changed from 'thermal' to 'structural', and the temperatures saved in 'jobname.RTH' are recalled and applied as loads.1. Start ANSYS and assign a job name to the project. Run Interactive -> set working directory and jobname.2. Preferences -> Thermal will show -> OK3. A quadrant of a section through the cylinder is created using ANSYS area creation tools.4. Preprocessor -> Element Type -> Add/Edit/Delete -> Add -> Solid 8 node 77 -> OK ->Options -> K3 Axisymmetric -> OK5. Preprocessor -> Material Props -> Isotropic -> Material Number 1 -> OKEX = 3.E7 (psi)DENS = 7.36E-4 (lb sec^2/in^4)ALPHAX = 6.5E-6PRXY = 0.3KXX = 0.69 (BTU/hr-in-F)6. Mesh the area using methods discussed in previous examples.7. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Temperatures -> NodesSelect the nodes on the interior and set the temperature to 75.8. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Convection -> LinesSelect the lines defining the outer surface and set the coefficient to 0.56 and the fluid temp to 40.9. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Heat Flux -> LinesSelect the vertical and horizontal lines of symmetry and set the heat flux to zero.10. Solution -> Solve current LS11. General Postprocessor -> Plot Results -> Nodal Solution -> TemperatureThe temperature on the interior is 75 F and on the outside wall it is found to be 43.12. File -> Save Jobname.db13. Preprocessor -> Loads -> Delete -> Delete All -> Delete All Opts.14. Preferences -> Structural will show, Thermal will NOT show.15. Preprocessor -> Element Type -> Switch Element Type -> OK (This changes the element to structural)16. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Displacements -> Nodes(Fix nodes on vertical and horizontal lines of symmetry from crossing the lines of symmetry.)17. Preprocessor -> Loads -> Apply -> Temperature -> From Thermal AnalysisSelect Jobname.RTH (If it isn't present, look for the default 'file.RTH' in the root directory)18. Solution -> Solve Current LS19. General Postprocessor -> Plot Results -> Element Solution - von Mises StressThe von Mises stress is seen to be a maximum in the end cap on the interior of the cylinder and would govern a yield-based design decision.Back。
第六章热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。
电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。
热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。
由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。
物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表面的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119×10-10 BTU/hr-in-R，公制为5.67×10-8 6.2基本概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体；通常的物体为“灰体”，即ε< 1；在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。
式中：－辐射率（黑度）－物体表面辐射热量－黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个面之间的辐射热交换，在ANSYS中，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。
表面I与表面J之间的形状系数为：形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵计算的形状系数为：式中：－单元法向与单元I,J连线的角度－单元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面积dA I及dA J，然后进行数字积分。
辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互之间存在辐射的面组成，可以是开放的或是闭合的。
在ANSYS中，可以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对来计算一个辐射对中各面间的形状系数；每一个开放的辐射对都可以定义自己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。
Radiosity 求解器当所有面上的温度已知时，Radiosity 求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间的热交换。
ANSYS稳态热分析的基本过程和实例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、材料和⽹格分析求解：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》。
2、施加载荷计算①、定义分析类型●如果进⾏新的热分析：Command: ANTYPE, STATIC, NEWGUI: Main menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis>Steady-state●如果继续上⼀次分析，⽐如增加边界条件等：Command: ANTYPE, STATIC, RESTGUI: Main menu>Solution>Analysis Type->Restart②、施加载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件) ：a、恒定的温度通常作为⾃由度约束施加于温度已知的边界上。
Command Family: DGUI：Main Menu>Solution>-Loads-Apply>-Thermal-Temperatureb、热流率热流率作为节点集中载荷，主要⽤于线单元模型中(通常线单元模型不能施加对流或热流密度载荷)，如果输⼊的值为正，代表热流流⼊节点，即单元获取热量。
如果温度与热流率同时施加在⼀节点上则ANSYS读取温度值进⾏计算。
注意：如果在实体单元的某⼀节点上施加热流率，则此节点周围的单元要密⼀些，在两种导热系数差别很⼤的两个单元的公共节点上施加热流率时，尤其要注意。
此外，尽可能使⽤热⽣成或热流密度边界条件，这样结果会更精确些。
目录第1章–介绍–概述–相关讲座&培训–其他信息来源第2章–基本概念第3章–稳态热传导(n o m a s s t r a n s p o r t o f h e a t)第4章–附加考虑非线性分析第5章–瞬态分析1-3 1-5 1-12 1-132-13-14-15-1第6章–复杂的,时间和空间变化的边界条件第7章–附加对流/热流载荷选项和简单的热/流单元第8章–辐射热传递–例题-使用辐射矩阵的热沉分析第9章–相变分析–相变分析例题-飞轮铸造分析第10章–耦合场分析6-1 7-18-1 8-43 9-1 9-14 10-1目录(续)第1章先决条件1章节内容概述12章节内容概述213章节内容概述310124章节内容概述43546章节内容概述6571章节内容概述7689章节内容概述1072相关讲座&培训2tT c h K Q qq E============t i m e t e m p e r a t u r e d e n s i t y s p e c i f i c h e a t f i l m c o e f f i c i e n t e m i s s i v i t y S t e f a n -B o l t z m a n n c o n s t a n t t h e r m a l c o n d u c t i v i t y h e a t f l o w (r a t e ) h e a t f l u x i n t e r n a l h e a t g e n e r a t i o n /v o l u m e e n e r g y ρεσ*&&&fA N S Y S()3223注,对于结构热容量,密度/G c和比热*G c经常使用该单位。
其中G c=386.4(l b m-i n c h)/(l b f-s e c2)A N S Y S(S I)3223–传导–对流–辐射•传导的热流由传导的傅立叶定律决定�•负号表示热沿梯度的反向流动(i .e ., 热从热的部分流向冷的).q K T n K T T n n n n n *=−∂∂=∂∂=h e a t f l o w r a t e p e r u n i t a r e a i n d i r e c t i o n n Wh e r e , = t h e r m a l c o n d u c t i v i t y i n d i r e c t i o n n= t e m p e r a t u r e t h e r m a l g r a d i e n t i n d i r e c t i o n n Tnq*dT d n•对流的热流由冷却的牛顿准则得出:•对流一般作为面边界条件施加qh T T h T T f S B f S B *()=−=h e a t f l o w r a t e p e r u n i t a r e a b e t w e e n s u r f a c e a n d f l u i d W h e r e , = c o n v e c t i v e f i l m c o e f f i c i e n t= s u r f a c e t e m p e r a t u r e = b u l k f l u i d t e m p e r a t u r e TB Ts•从平面i 到平面j 的辐射热流由施蒂芬-玻斯曼定律得出: •在A N S Y S 中将辐射按平面现象处理(i .e ., 体都假设为不透明的)。
