1 概述

在實(shí)際生產(chǎn)過程中常常會(huì)遇到多種多樣的熱量傳遞問題：如計(jì)算某個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布、熱量的獲取、熱梯度、熱流密度、熱應(yīng)力及相變等。所涉及的領(lǐng)域包括：能源、化工、冶金、建筑、電子、航空航天、農(nóng)業(yè)、制冷及船舶等。

ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元方法計(jì)算物體內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)溫度，并導(dǎo)出其他物理參數(shù)。運(yùn)用ANSYS軟件可進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射、相變、熱應(yīng)力及接觸熱阻等問題的分析求解。

2 熱分析符號(hào)及單位

3 傳熱學(xué)經(jīng)典理論

熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律:對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)（沒有質(zhì)量的流入或流出〕

Q-W=△U + △KE + △PE

式中:Q——熱量;W——作功;

△U ——系統(tǒng)內(nèi)能; △U

△KE ——系統(tǒng)動(dòng)能；

△PE ——系統(tǒng)勢能；

對(duì)于大多數(shù)工程傳熱問題：△KE＝ △PE＝ 0 ；

通常考慮沒有做功：W = 0，則：Q = △U ；

對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析：Q = △U = 0，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量；

對(duì)于瞬態(tài)熱分析：q =dU/dt，即流入或流出的熱傳遞速率 q 等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。

4 三種基本傳熱方式

熱傳遞（或稱傳熱）是物理學(xué)上的一個(gè)物理現(xiàn)象，是指由于溫度差引起的熱能傳遞現(xiàn)象。熱傳遞中用熱量量度物體內(nèi)能的改變。熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流。只要在物體內(nèi)部或物體間有溫度差存在，熱能就必然以以上三種方式中的一種或多種從高溫到低溫處傳遞。

熱傳導(dǎo)（Thermal Conduction）(又稱為導(dǎo)熱)是指當(dāng)不同物體之間或同一物體內(nèi)部存在溫度差時(shí)，就會(huì)通過物體內(nèi)部分子、原子和電子的微觀振動(dòng)、位移和相互碰撞而發(fā)生能量傳遞現(xiàn)象。不同相態(tài)的物質(zhì)內(nèi)部導(dǎo)熱的機(jī)理不盡相同。氣體內(nèi)部的導(dǎo)熱主要是其內(nèi)部分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)是相互碰撞的結(jié)果；非導(dǎo)電固體中，在其晶格結(jié)構(gòu)的平衡位置附近振動(dòng)，將能量傳遞給相鄰分子，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱；而金屬固體的導(dǎo)熱是憑借自由電子在晶格結(jié)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)完成的。

熱傳導(dǎo)是固體熱傳遞的主要方式。在氣體或液體等流體中，熱的傳導(dǎo)過程往往和對(duì)流同時(shí)發(fā)生。

熱輻射（Thermal Radiation），物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象,稱為熱輻射。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大。熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。

溫度較低時(shí)，主要以不可見的紅外光進(jìn)行輻射，當(dāng)溫度為300℃時(shí)熱輻射中最強(qiáng)的波長在紅外區(qū)。當(dāng)物體的溫度在500℃以上至800℃時(shí)，熱輻射中最強(qiáng)的波長成分在可見光區(qū).

輻射源表面在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上所發(fā)射（或吸收）的能量同該表面的性質(zhì)及溫度有關(guān) ，表面越黑暗越粗糙，發(fā)射（吸收）能量的能力就越強(qiáng)。任何物體都以電磁波的形式向周圍環(huán)境輻射能量。輻射電磁波在其傳播路上遇到物體時(shí)，將激勵(lì)組成該物體的微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)，使物體加熱升溫。

一個(gè)物體向外輻射能量的同時(shí)，還吸收從其他物體輻射來的能量。如果物體輻射出去的能量恰好等于在同一時(shí)間內(nèi)所吸收的能量，則輻射過程達(dá)到平衡，稱為平衡輻射，此時(shí)物體具有固定的溫度。

熱輻射能把熱能以光速穿過真空，從一個(gè)物體傳給另一個(gè)物體。任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度，就能輻射電磁波，被物體吸收而變成熱能，稱為熱射線。電磁波的傳播不需要任何媒質(zhì)，熱輻射是真空中唯一的熱傳遞方式。太陽傳遞給地球的熱能就是以熱輻射的方式經(jīng)過宇宙空間而來。

熱輻射的重要規(guī)律有4個(gè)：基爾霍夫輻射定律、普朗克輻射分布定律、斯蒂藩-玻耳茲曼定律、維恩位移定律。這4個(gè)定律，統(tǒng)稱為熱輻射定律。

熱對(duì)流（Thermal Convection）是指流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移的熱量傳遞過程。由于流體間各部分是相互接觸的，除了流體的整體運(yùn)動(dòng)所帶來的熱對(duì)流之外，還伴生有由于流體的微觀粒子運(yùn)動(dòng)造成的熱傳導(dǎo)。

工業(yè)中熱對(duì)流可分為以下四種類型：

流體無相變化時(shí)，根據(jù)產(chǎn)生的原因不同，有自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種，其中強(qiáng)制對(duì)流傳熱根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)的不同，又可分為層流傳熱和湍流傳熱。

流體有相變化時(shí)，包括蒸汽冷凝對(duì)流和液體沸騰對(duì)流。

對(duì)流傳熱通常用牛頓冷卻定律來描述。

5 熱分析材料基本屬性

與熱分析直接相關(guān)的材料屬性包括：熱傳導(dǎo)率（Thermal Conductivity）、比熱容（Specific Heat）、焓（Enthalpy）、對(duì)流傳熱系數(shù)（Convection Film Coefficient）、輻射系數(shù)（Emissivity）、生熱率（Heat Generation Tate）。

熱導(dǎo)率(thermal conductivity)是單位溫度梯度下的導(dǎo)熱熱通量，因而它代表物質(zhì)的導(dǎo)熱能力。

物體的熱導(dǎo)率與材料的組成、結(jié)構(gòu)、溫度、濕度、壓強(qiáng)及聚集狀態(tài)等許多因素有關(guān)。一般說來：金屬的熱導(dǎo)率最大，非金屬次之，液體的較小，而氣體的最小；固體金屬材料熱導(dǎo)率與溫度反比，固體非金屬材料與溫度成正比；金屬液體的熱導(dǎo)率很大，而非金屬液體的熱導(dǎo)率較小；氣體的熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常用實(shí)驗(yàn)方法測定。

對(duì)流傳熱系數(shù)（Convection Film Coefficient）指對(duì)流傳熱基本計(jì)算式——牛頓（Newton）冷卻公式（Newton‘s law of cooling）中的比例系數(shù)，以前又稱為對(duì)流換熱系數(shù)，是由流體內(nèi)部各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞過程，只能發(fā)生在有流體流動(dòng)的場合單位是W/(㎡*K)，含義是對(duì)流換熱速率，反應(yīng)了對(duì)流傳熱的快慢，對(duì)流傳熱系數(shù)越大，表示對(duì)流傳熱越快。對(duì)流傳熱系數(shù)分為局部總傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)總是接近于α小的流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。對(duì)流傳熱系數(shù)代表對(duì)流傳熱能力。影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素有：引起流動(dòng)的原因、流動(dòng)狀況、流體性質(zhì)、傳熱面性質(zhì)等。對(duì)流傳熱系數(shù)可由理論推導(dǎo)、因次分析、實(shí)驗(yàn)等方法獲得。

輻射率（Emissivity也稱發(fā)射率）是指衡量物體表面以輻射的形式釋放能量相對(duì)強(qiáng)弱的能力。物體的輻射率等于物體在一定溫度下輻射的能量與同一溫度下黑體輻射能量之比。黑體的輻射率等于1，其他物體的輻射率介于0和1之間。

輻射率是依據(jù)物體本身的溫度輻射出能量的能力，描述被測物體輻射能力的參數(shù)。也指物體自身輻射的能量與同一溫度下絕對(duì)黑體所輻射的能量比，用守號(hào)ε表示。輻射率僅僅與物體表面的性質(zhì)（成分、結(jié)構(gòu)）有關(guān)。在定給溫度條件下，任何物體的輻射率在數(shù)值上等于此物體的吸收率。ε=1-ρ。輻射率有時(shí)稱為輻射系數(shù)。當(dāng)輻射能投射到物體表面時(shí)，就發(fā)生反射、吸收和透過。物體吸收了輻射能后溫度升高，并隨之又輻射出一部分能量。

比熱容(Specific Heat Capacity)是指沒有相變化和化學(xué)變化時(shí)，一定量均相物質(zhì)溫度升高1K所需的熱量。如果是1mol物質(zhì)，則所需熱量即為摩爾熱容。在等壓條件下的摩爾熱容Cp稱為定壓摩爾熱容。在等容條件下的摩爾熱容Cv稱為定容摩爾熱容。通常將定壓摩爾熱容與溫度的關(guān)系，關(guān)聯(lián)成多項(xiàng)式。

生熱率（Heat Generation Tate）指物體單位體積單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量，單位為瓦特每立方米。

6 熱載荷

ANSYS常用熱載荷有溫度、熱流率、對(duì)流、熱流密度、生熱率、熱輻射率等。

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