熱輻射

一、熱輻射特性

1、輻射熱傳遞是通過(guò)電磁波傳遞熱能的方法。熱輻射的電磁波波長(zhǎng)為0.1~100um。這包括超微波，所有可以用肉眼看到的波長(zhǎng)和長(zhǎng)波；

2、不像其他熱傳遞方式需要介質(zhì)，輻射在真空中（如外層空間）效率最高；

3、對(duì)于半透明體（如玻璃），輻射是三維實(shí)體現(xiàn)象，因?yàn)檩椛鋸捏w中發(fā)散出；

4、對(duì)于不透明體，輻射主要是平面現(xiàn)象，因?yàn)閹缀跛袃?nèi)部輻射都被實(shí)體吸收了。

5、兩平面間的輻射熱傳遞與他們平面絕對(duì)溫度差的四次方成正比，因此，輻射分析是非線性的，需要迭代求解；

二、ANSYS中熱輻射的處理方法

1、ANSYS中關(guān)于輻射的重要假設(shè)

（1）ANSYS認(rèn)為輻射是平面現(xiàn)象，因此適合用不透明平面建模；

（2）ANSYS不直接計(jì)入平面反射率。考慮到效率，假設(shè)平面吸收率和發(fā)射率相等。因此，只有發(fā)射率特性需要在ANSYS輻射分析中定義。

（3）ANSYS不自動(dòng)計(jì)入發(fā)射率的方向特性，也不允許發(fā)射率定義隨波長(zhǎng)變化。發(fā)射率可以在某些單元中定義為溫度的函數(shù)。

（4）ANSYS中所有分隔輻射面的介質(zhì)在計(jì)算輻射能量交換時(shí)都看作是不參與輻射的能量交換（不吸收也不發(fā)射能量）。

2、ANSYS求解方法

ANSYS使用一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程求解多個(gè)平面輻射問(wèn)題，矩陣形式如下：

[K’]{T}={Q}

其中，[K’]是的T³函數(shù)。

生成多平面問(wèn)題系統(tǒng)的矩陣要比前面列出的簡(jiǎn)單因子近似方法復(fù)雜。輻射是高度非線性分析，需要使用牛頓-拉夫森迭代求解。

穩(wěn)態(tài)熱輻射分析案例

1.案例介紹

一個(gè)螺旋金屬棒內(nèi)側(cè)有個(gè)圓柱結(jié)構(gòu)，利用Workbench平臺(tái)中的APDL熱輻射命令，分析當(dāng)螺旋金屬棒有0.5w/m³的損耗密度時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的熱分布。

2.啟動(dòng)Workbench并建立分析項(xiàng)目

（1）首先打開(kāi)ANSYS Workbench 18.0程序。在項(xiàng)目工程管理窗口中建立如圖所示項(xiàng)目流程表。

（2）使用Geometry-DesignModeler建立模型,本案例模型較為簡(jiǎn)單建模主要采用拉伸和掃略操作，此處不再過(guò)多描述。

3.定義材料屬性

本分析案例使用默認(rèn)材料Structural Steel；

4.網(wǎng)格劃分

（1）選擇Model（B4）中的Mesh（1、此處單元類型為默認(rèn)的Solid186單元，2、網(wǎng)格劃分方法為：Sweep Method。網(wǎng)格劃分的方法和方式有很多種，眾多方法中以“Sweep Method”劃分網(wǎng)格為最佳，劃分出的網(wǎng)格較為規(guī)整為六面體網(wǎng)格；為了得到較好質(zhì)量的網(wǎng)格，前處理中經(jīng)常對(duì)幾何模型進(jìn)行切分，使幾何模型更多的部分可以使用“Sweep Method”劃分方法或者采用其他途徑進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。3、中心圓柱體設(shè)置網(wǎng)格尺寸element size為20mm，螺旋金屬棒設(shè)置網(wǎng)格尺寸element size為10mm）

5.命名

點(diǎn)擊中心圓柱外表面，右擊后，在彈出的菜單中選擇“Named Selection”命令，在對(duì)話框中輸入Surface1，點(diǎn)擊OK按鈕，再單擊工具欄中的Generate命令；用同樣的操作選擇螺旋金屬棒的外表面并命名為Surface2，如下圖所示；（注：命名的目的是為了在后面插入命令時(shí)，方便選取面。）

6.定義載荷

（1）單擊Steady-State Thermal（穩(wěn)態(tài)熱分析）B5中的Temperature（溫度），在Geometry欄中保證中心圓柱的上下兩面被選中，輸入溫度為22°，如下圖所示；

（2）定義功率，選擇工具欄中的“Heat”—“Internal Heat Generation”命令，選擇螺旋金屬棒，在Magnitude欄中輸入0.5W/m³.

（3）插入命令。這部分為本節(jié)介紹的重點(diǎn)內(nèi)容。

右擊Steady State Thermal（B5），在彈出的菜單中選擇“Insert”—“Commands”命令，插入一個(gè)命令 選項(xiàng)，如下圖所示；

（4） 點(diǎn)擊“Commands”，在命令選項(xiàng)中輸入如下命令流：

sf,Surface1,rdsf,0.7,1

sf,Surface2,rdsf,0.7,1

spctemp,1,100

stef,5.67e-8

radopt,0.9,1.E-5,0,1000,0.1,0.9

toff,273

（在輸入命令前，請(qǐng)確保單位制為國(guó)際單位制。）

7.求解。

（1）確認(rèn)輸入?yún)?shù)都正確后點(diǎn)擊solve（求解）按鈕，開(kāi)始執(zhí)行此次穩(wěn)態(tài)熱分析的求解。

（2） 結(jié)果后處理。單擊Thermal（熱分析），再分別單擊Temperature（溫度）以及Total Heat Flux（全部的熱流量）。然后單擊Solve按鈕。顯示如下云圖；

熱流云圖：

所有實(shí)體溫度云圖：

中心圓柱溫度分布：

螺旋金屬棒溫度分布：

8.保存

總結(jié)： 熱輻射分析在熱分析中屬于高度非線性分析，在Workbench平臺(tái)中，沒(méi)有直接的操作進(jìn)行熱輻射分析，需要讀者對(duì)APDL有一定了解。