熱輻射的案例
水壺的傳熱分析（熱傳導(dǎo)+熱對流+熱輻射） ￥5
分享一個通過ABAQUS做的水壺的傳熱分析，包含熱傳遞的三種方式：熱傳導(dǎo)+熱對流+熱輻射。
方法教程來自于外網(wǎng)，附件是自己根據(jù)教程練習(xí)時建的cae模型，供參考。
熱傳導(dǎo)是熱能從高溫向低溫部分轉(zhuǎn)移的過程；熱對流是熱量通過流動介質(zhì)傳遞的過程；熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。
【材料】鋼/陶瓷
【網(wǎng)格】DC3D10
【接觸】
茶壺和蓋子之間的傳導(dǎo)
2.對流
3.熱輻射
【設(shè)置絕對零度+Stefan-Boltzmann常數(shù)】
【邊界條件】
【預(yù)定義溫度場】
【后處理】
展開 ANSYS Workbench Mechanical 熱輻射傳熱分析方法操作
在workbench中，可以進行熱輻射分析計算的Mechanical模塊主要有穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)耦合場、穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熱等，其工程圖如圖 1所示。各個模塊的輻射傳熱設(shè)置非常相近，接下來以穩(wěn)態(tài)熱模塊演示一個簡單熱輻射案例。
圖 1 能夠進行熱輻射計算的Mechanical模塊
現(xiàn)有一幾何模型如圖 2所示，由一個圓臺筒和位于圓臺筒中心的小圓柱體組成。其中，小圓柱的側(cè)面是溫度為700℃的熱邊界；所有表面均可產(chǎn)生熱輻射，熱輻射率為0.7；環(huán)境溫度為4K。
圖 2 穩(wěn)態(tài)熱模塊熱輻射計算演示案例幾何模型
1 設(shè)定傳熱邊界條件
首先設(shè)定輻射傳熱條件。在steady-state thermal項目樹下添加“radiation”分支。
在設(shè)置框中選定對應(yīng)的輻射面。
在Correlation選項中可以選擇輻射至環(huán)境和面到面輻射，其中輻射至環(huán)境指的是所有面產(chǎn)生的輻射均輻射至環(huán)境，不會產(chǎn)生面和面之間的輻射；面到面輻射則考慮實體面之間的輻射，不在面和面之間的輻射依然默認為輻射至環(huán)境中，該選項需要計算所有輻射面上單元面的角系數(shù)，在工作目錄生成角系數(shù)文件。本案例考慮面到面之間的輻射，選擇為“surface to surface”。
設(shè)定輻射率，此處設(shè)定為0.7。設(shè)定環(huán)境溫度，此處設(shè)定為-269.15℃。默認輻射空間序號為1，如果在計算過程中添加了多個“radiation”分支，不同分支之間輻射空間序號相同部分會放到一個空間內(nèi)進行計算，序號不同的部分則不會有輻射關(guān)聯(lián)。此處輻射空間序號的設(shè)置并沒有什么限制，同一個輻射空間的保證為同一個序號，不同輻射空間的保證為不同序號即可。
圖 3 穩(wěn)態(tài)熱模塊輻射傳熱分支設(shè)置
設(shè)置完輻射傳熱邊界條件后，再設(shè)定其他熱邊界條件。
展開 ANSYS Workbench穩(wěn)態(tài)熱輻射分析案例
熱輻射
一、熱輻射特性
1、輻射熱傳遞是通過電磁波傳遞熱能的方法。熱輻射的電磁波波長為0.1~100um。這包括超微波，所有可以用肉眼看到的波長和長波；
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、對于半透明體（如玻璃），輻射是三維實體現(xiàn)象，因為輻射從體中發(fā)散出；
4、對于不透明體，輻射主要是平面現(xiàn)象，因為幾乎所有內(nèi)部輻射都被實體吸收了。
5、兩平面間的輻射熱傳遞與他們平面絕對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不自動計入發(fā)射率的方向特性，也不允許發(fā)射率定義隨波長變化。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)在計算輻射能量交換時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使用一個簡單的過程求解多個平面輻射問題，矩陣形式如下：
[K’]{T}={Q}
其中，[K’]是的T3函數(shù)。
生成多平面問題系統(tǒng)的矩陣要比前面列出的簡單因子近似方法復(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
一個螺旋金屬棒內(nèi)側(cè)有個圓柱結(jié)構(gòu)，利用Workbench平臺中的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，整體結(jié)構(gòu)的熱分布。
展開 [Femap & Nastran培訓(xùn)教程_24]域內(nèi)熱輻射
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24章
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ABAQUS培訓(xùn)案例之熱分析-熱輻射
圖1模型示意圖
今天給大家分享的是熱輻射分析。如圖1所示，模型由2個part組成，一個是fin，其周期對稱性在設(shè)置輻射換熱時可以設(shè)置，另一個代表周邊環(huán)境的ambient。模型先進行了穩(wěn)態(tài)分析，然后建立2個瞬態(tài)分析步，實現(xiàn)環(huán)境溫度為800時對fin加熱的過程，和環(huán)境溫度38時fin部件的冷卻過程。當(dāng)然除了ambient和fin的輻射換熱，ambient和fin也分別建立了Surface film condition換熱。下面詳解每個步驟的設(shè)置。
目標(biāo)：輻射換熱與對流換熱設(shè)置，cavity radiation應(yīng)用。
材料：材料參數(shù)定義了Density為7800，Conductivity和SpecificHeat分別為50和500（SI單位制）。
分析步設(shè)置：本案例設(shè)置了三個分析步，step-1為熱穩(wěn)態(tài)分析步，step-2和step-3為瞬態(tài)分析步，如下圖所示。歷史輸出設(shè)置output三個節(jié)點的溫度輸出。
圖2 分析步設(shè)置
相互作用設(shè)置：定義了三個換熱條件，設(shè)置bot面換熱系數(shù)Surfacefilm condition為2500，熱沉溫度100，srfs面換熱系數(shù)Surface film condition為10，step-1熱沉溫度38，step-2時為800，step-3時改為38。設(shè)置srfs和samb之間的輻射換熱Cavity radiation，發(fā)射系數(shù)為0.8和1，并設(shè)置Symmetry對稱，如下圖所示。
圖3 換熱設(shè)置
邊界條件：設(shè)置所有區(qū)域初始溫度為77，ambient的溫度step-1時38，step-2時為800（加熱過程），step-3時改為38（冷卻過程）。
展開 熱輻射的輻射模型
熱的對流、傳導(dǎo)、輻射是熱量傳遞的三種方式，熱輻射是指物體通過電磁波來傳遞能量（熱量，其實就是溫度的高低）。說人話就是物體放在那里就會通過輻射傳遞熱量，當(dāng)然一般我們見到的都是兩種或者三種方式的熱量傳遞過程。其實很好區(qū)分，對流和傳導(dǎo)需要其它介質(zhì)參與，而輻射只需要那個物體在就會進行輻射。 理解完輻射，來說輻射模型，既然有了輻射這種現(xiàn)象，我們?nèi)绾蚊枋隹臻g種能量輻射的過程？對，輻射模型就是做這個的。 tip：做仿真的時候我們也會注意到這樣一個問題，我們需要設(shè)置介質(zhì)，一個原因是往往是多個物理現(xiàn)象，另一個根本原因是不同介質(zhì)的性質(zhì)不同，參與輻射時的吸收率、散射系數(shù)、折射率都不相同。
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展開 涉及流固耦合（對流、輻射）的熱分析
材料性質(zhì)：
固體：銅：導(dǎo)熱系數(shù)k=400，比熱c=400，密度8890。（單位：SI）
流體：空氣
3. 邊界條件
銅母線生熱率：12960w/m3
銅外殼生熱率：8909w/m3
銅外殼外側(cè)與空氣對流換熱：hc= 4w/(m2*K), T,ambient = 313 K
銅外殼外側(cè)的熱輻射率：emissivity=0.85
銅母線、銅外殼內(nèi)側(cè)的熱輻射率均為 0.85
重力y軸負向：9.8
幾何圖形見下圖(單位：m)
4.附檔
4.a gambit網(wǎng)格
simwe_thermal_gambit_mesh.rar
4.b icemcfd project file
simwe_tube_icemcfd_project.rar
4.c icemcfd mesh for cfx
simwe_tube_icem10_mesh.rar
4.d ansys_mesh file
ansys_mesh file.rar
用openoffice calc, 簡單計算的資料
(上方是基本參數(shù)資料, 下左框是 for absorption =1, 下右框是 for absorption =0.85
在表中所設(shè)的管長是1.00 meter, 但是在icemcfd and ansys 網(wǎng)格中的管長是建為0.0025 meter的
根據(jù)熱平衡時, 所有銅管產(chǎn)生之熱, 必等於外表面散熱(radiation + convection)
可知合理的表皮溫度應(yīng)在363(or 369)度附近
用omega Reynold stress turbulent model 的結(jié)果
K-e turbulent model 的結(jié)果
展開 空腔內(nèi)的輻射換熱計算
計算設(shè)置
本次計算假定各向同性散射和輻射平衡，不考慮流場計算。
物質(zhì)屬性
計算物質(zhì)設(shè)置為空氣，設(shè)置它的散射系數(shù)為0.5/m
熱輻射模型
選擇DO熱輻射模型
邊界條件
設(shè)置墻體的溫度值
計算結(jié)果
計算域溫度云圖
計算值與實驗值對比
熱通量對比圖表
參考文獻
G.D Raithby, E.H. Chui. “A Finite Volume Method for Predicting a Radiant Heat Transfer in Enclosoures with Participating Media”. Journal of Heat Transfer. Volume 112, pp. 415-423, 1990
展開 實心球熱輻射分析
1.問題描述
一個直徑為1m、初始溫度為2000K的金屬實心球體在300K的環(huán)境中（假設(shè)沒有對流換熱）熱輻射降溫的過程。考慮到球的對稱性，可將其簡化為軸對稱模型進行分析，也可采用實體模型進行分析。本文中采用實體模型進行熱輻射分析。
2.有限元解
2.1.絕對零度和斯蒂芬~玻爾茲曼常數(shù)設(shè)置
絕對零度設(shè)為0；斯蒂芬~玻爾茲曼常數(shù)設(shè)為5.67E-8W/(m2·K4)。
2.2.材料定義
該分析中采用國際單位制，各材料參數(shù)如下：密度7850kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)60.64W/(m·K)；比熱容460J/(kg·K)。
2.3.分析步設(shè)置
定義瞬態(tài)傳熱分析步，分析步時間為36000s。初始增量步設(shè)為0.1，最小增量步設(shè)為0.001，最大增量步設(shè)為100，最大增量步數(shù)設(shè)為1000。每個增量步所允許的溫度的最大變化設(shè)為50。
2.4.輻射率及環(huán)境溫度設(shè)置
輻射率設(shè)為1，環(huán)境溫度設(shè)為300K。
2.5.實心球初始溫度場設(shè)置
設(shè)置實心球體的初始溫度場為2000K。
2.6.網(wǎng)格劃分
低階熱傳導(dǎo)單元（DC3D8）。
2.7.溫度分布仿真結(jié)果
實心球球心溫度為501.8K，實心球表面溫度為489.8K。
來源：DeepFEA
展開 ANSYS workbench圓環(huán)輻射熱分析 ￥10
本案例適合哪些人學(xué)習(xí)：
1、學(xué)習(xí)型仿真工程師
2、理工科院校學(xué)生
你會得到什么：
1、學(xué)習(xí)圓環(huán)的三維模型處理
2、學(xué)習(xí)圓環(huán)輻射熱分析步的建立
3、學(xué)習(xí)圓環(huán)輻射熱分析的載荷施加
4、學(xué)習(xí)圓環(huán)輻射熱的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench 圓環(huán)輻射熱分析。
本案例完整得提供了分析相關(guān)所有分析文件。
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探索熱輻射—紅外發(fā)射率測量儀
發(fā)射率的測量需要建立在有關(guān)紅外輻射學(xué)的基礎(chǔ)上，發(fā)射率在輻射測溫以及材料的性能中扮演著重要的角色，在航天航空、軍事國防、工業(yè)生產(chǎn)、能源利用、節(jié)能方面均有所滲透。在國防和軍事中的發(fā)射率主要被應(yīng)用于雷達等，可供輻射監(jiān)測設(shè)備進行對比監(jiān)測，以及滿足隱身涂層等性能需要；在工業(yè)生產(chǎn)、節(jié)能和能源領(lǐng)域，發(fā)射率主要應(yīng)用在輻射測溫，可以實時非接觸式探測工作現(xiàn)場變化；在能源環(huán)保方面發(fā)射率主要應(yīng)用在高低發(fā)射率涂層，目的是提高能量的收集或者能量的散去。
紅外發(fā)射率（Emissivity,ε）作為表征材料表面熱輻射能力的核心物理參數(shù)（定義為物體在相同溫度下輻射能量與理想黑體輻射能量的比值，0≤ε≤1），其數(shù)值大小深刻影響著材料與外界環(huán)境的熱交換過程。這一參數(shù)并非固定不變，而是受材料成分、表面粗糙度、工作溫度及觀測波段等多種因素的綜合調(diào)控。正是由于這種可調(diào)控性及其對熱輻射行為的決定性作用，紅外發(fā)射率在眾多科技領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，其精確測量與有效調(diào)控是實現(xiàn)特定功能的關(guān)鍵。
我司推出 手持式紅外發(fā)射率測量儀，此儀器專為精準監(jiān)測表面材料的關(guān)鍵紅外特性參數(shù)——紅外發(fā)射率而精心設(shè)計。
該儀器具備卓越的性能優(yōu)勢，能夠在任意時間、任意地點迅速完成對表面材料紅外發(fā)射率參數(shù)的檢測工作。通過快速獲取這些參數(shù)，得以實現(xiàn)對材料性能的實時動態(tài)評估，為用戶提供及時、準確的材料性能反饋。
值得一提的是，這款產(chǎn)品可同時對 3 - 5μm、8 - 14μm 波段內(nèi)的材料性能進行測量。這兩個波段的參數(shù)乃是最為常用的特性參數(shù)，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
展開 面向電子束熔融增材制造噴管熱輻射的仿真研究
本次計算考慮最終成型件對打印中及打印完成時印工件表面與打印腔室內(nèi)表面的輻射傳熱的不同模型進行模擬（表格1）。
結(jié)果分析及結(jié)論
通過仿真計算分析，為了更直觀的體現(xiàn)隔熱材料對腔體內(nèi)溫度的影響，圖4a和圖4b分別展示了當(dāng)吸收率為0.1時有隔熱材料與無隔熱材料的腔體內(nèi)溫度云圖。
圖4腔體內(nèi)溫度云圖 a無隔熱層 b有隔熱層
根據(jù)工程判斷，打印工件向外輸出的熱量全部通過輻射形式傳出給墻面。表2計算了不同工況下打印工件表面向外輻射的熱功率。
表2工件表面總熱功率（kw）計算數(shù)據(jù)
通過表2可知，對于導(dǎo)熱與隔熱兩種幾何模型來說，S2S和DO模型在熱輻射計算結(jié)果來看差別不大，尤其是隔熱模型，當(dāng)腔體內(nèi)壁面吸收率較小時兩模型之間的數(shù)值差異可忽略不計。對比導(dǎo)熱模型（單層壁面）和隔熱模型（雙層壁面）的工件表面輻射功率可知，隔熱層的應(yīng)用會大幅度減小系統(tǒng)內(nèi)的熱量散失。另外，工件表面向外部環(huán)境輻射的總功率隨內(nèi)壁面對熱量吸收率的減小而減小，即工件向外輻射能量隨壁面反射率增大而減小。通過分析還發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁面對熱量吸收率對導(dǎo)熱模型的影響大于對隔熱模型的影響。
展開 保溫箱內(nèi)輻射熱引發(fā)物體溫升和變形的數(shù)值仿真 ￥800
<p>本案例建立了一立方體結(jié)構(gòu)的保溫箱，通過保溫箱內(nèi)壁的熱輻射作用，引發(fā)了保溫箱內(nèi)放置物體的溫度升高，由于物體內(nèi)產(chǎn)生了溫差，又引發(fā)了物體本身的熱膨脹變形效應(yīng)。采用COMSOL軟件仿真了以上這一物理過程，仿真結(jié)果如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/40bb42db33a044779e4d79e69c40fe87.gif" alt="Untitled輻射-溫度.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>輻射熱導(dǎo)致物體溫度升高</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202204/imgs/4aee65b6bcb04ded8636b536c676f2ac.gif" alt="Untitled輻射-變形.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>輻射熱引發(fā)物體變形</strong></p><p>感興趣的朋友可下載模型，歡迎交流合作</p>
展開 Workbench平板間輻射換熱問題（原創(chuàng)，若轉(zhuǎn)載，請注明出處）
問題描述：兩平板間及兩同心圓筒間的輻射換熱，涉及發(fā)射率、吸收率等相關(guān)參數(shù)。
兩平板間輻射換熱：選取平板為30*30*2mm，兩平板間距為30mm，平板溫度分別為300和100攝氏度，兩圓筒間的輻射換熱問題與平板輻射換熱原理相同。
分析類型：輻射換熱
分析平臺：ANSYS Workbench 17.0
分析人：技術(shù)鄰 一無所有就是打拼的理由
技術(shù)難點：兩平板間吸收率及發(fā)射率的設(shè)置
可代做業(yè)務(wù)：穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)熱分析，結(jié)構(gòu)分析等
結(jié)果有不妥之處，歡迎大家指正。
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