熱通量分析
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
熱通量分析的視頻教程
Workbench熱分析及溫度應力（熱應力）仿真分析
本教程從幾何建模、網格劃分（mesh）到物理參數設置、求解到后處理進行詳細講解，耦合了穩態熱分析，瞬態熱分析以及瞬態結構分析的多物理場仿真模型，使學習者掌握多物理環境的熱應力分析的整個流程； 本教程結合相關CAE工程師在工程實踐中案例講解，結合了熱應力的產生的原因以及介紹了溫度應力的產生條件；貼合實際應用，可作為初學者掌握熱應力仿真分析的基礎和入門教程； 本教程基于ansys workbench19.0
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熱通量分析的實例教程
作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
臨界熱通量是傳熱速率達到其最大極限的點。
臨界熱通量受加熱表面幾何形狀、熱通量、速度、壓力、溫度和表面條件等因素的影響。
預測臨界熱通量開始的準確性對于做出最大化流體系統傳熱能力所需的設計優化決策非常重要。
許多流體工程系統依靠高效的傳熱機制來確保系統性能和安全性的提高。這方面的一個例子是飛機系統，其中傳熱、溫度分布和熱應力的分析對于分析結構損壞和優化材料設計或用于空氣動力學安全的加熱/冷卻系統設計非常重要。
熱通量是流體系統熱分析中的一個重要參數，尤其是臨界熱通量。了解臨界熱通量的開始對于工程師做出有關最大化流體系統傳熱能力所需的設計優化的決策非常重要。
了解臨界熱通量和影響參數
臨界熱通量是流體系統中傳熱速率達到最大值的熱極限。超過這一點，由于蒸汽層的形成，熱傳遞率顯著下降，蒸汽層起到絕緣作用并阻止進一步的熱傳遞。
解釋臨界熱通量的一個簡單例子是沸騰過程。當鍋放在受熱表面上時，熱通量逐漸增加，導致鍋變熱，水最終沸騰。熱通量的進一步增加使沸騰過程更加劇烈。在熱通量值最大時，沸騰變得不穩定并導致形成一層氣泡。這是臨界熱通量的開始，由于與液體相比，蒸汽層的熱導率較低，因此傳熱率突然下降。
在臨界熱通量開始以上運行系統會導致過熱和故障。因此，該值的預測是設計和優化傳熱系統的重要部分。然而，有幾個參數會影響流體系統仿真中臨界熱通量的預測。
展開 熱疲勞
重復的熱循環，即加熱和冷卻的交替周期，會導致熱疲勞，從而引起材料退化、裂紋和部件故障等問題。
操作環境
航空航天系統在極端操作環境下工作，包括極高的溫度和真空條件，導致熱通量管理面臨挑戰。
空氣動力學考慮
流速、邊界層、流動分離等空氣動力學因素影響傳熱現象。例如，較厚的邊界層可以降低對流換熱系數；流動分離和較低的流速可能會導致局部熱問題。
兼容性檢查
熱熱通量受到熱系統中使用的材料的影響——它必須高效傳熱并防止不利的相互作用，例如腐蝕、化學反應或材料降解。
計算限制
熱流的模擬和分析需要大量的計算資源、時間和成本。
通過 CFD 模擬分析傳熱
在航空航天應用中，計算流體動力學 (CFD) 模擬是一種有效的技術，使工程師能夠分析傳熱和流體流動現象。通過預測和優化傳熱過程，CFD 仿真以多種方式提高航空航天系統的安全性和效率。
航空航天應用中通過 CFD 模擬進行熱流分析
熱分析與優化
分析不同的傳熱模式和熱梯度。
對流體流動和溫度分布進行建模，以深入了解容易產生高熱通量的熱點。
展開 作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
熱通量定義為在單位時間內通過單位面積的表面傳遞的熱能。
熱通量密度以 SI 單位瓦特/平方米為單位測量。
系統中的熱通量取決于溫度梯度和傳熱系數。
根據介質的不同，傳熱機制分為傳導、對流或輻射
對能源的需求鼓勵我們探索可再生能源的機會。在非常規能源中，太陽能因其豐富而至關重要。太陽能用于公用事業發電和供暖。集中式太陽能發電廠滿足當今的能源需求。在聚光太陽能發電廠，尤其是太陽能接收器的設計中，熱通量和溫度是兩個主要的設計參數。了解熱通量有助于確定太陽能接收器的效率。
在大多數熱力學應用中，熱通量是一個重要的基本量，因為它會影響效率和性能。理論上，熱通量方程用于計算熱通量。然而，在實踐中，使用了一系列的熱量計、量規和輻射計。
讓我們探索熱通量及其方程。
熱流和傳熱機制
在給定系統中，只有當它們之間存在溫差時，熱量才會從一個點流向另一個點。熱量從溫暖的地方流向寒冷的地方。熱流只有在不同溫度點之間存在熱量傳播的介質時才會發生。
熱流或熱傳遞現象是復雜和多維的。根據存在溫度梯度的介質或介質組，傳熱機制可分為：
傳導 -在傳導過程中，熱流通過固體材料發生。
對流 -當熱量流過氣體和液體時，傳熱機制稱為對流。
輻射——電磁波攜帶熱能時，形成熱傳遞的輻射機制。
在上述傳熱機制中，熱量通過介質從一點傳遞到另一點。熱能傳遞的速率給出了傳導、對流和輻射中熱通量的概念。
什么是熱通量？
熱通量是單位時間內通過單位面積的表面傳遞的熱能的量。熱通量可以是從所考慮的表面傳遞或消散的熱量。熱通量也稱為熱通量、熱流密度、熱通量密度或熱流率強度。
展開 湍流熱對流問題通常使用范式系統或瑞利貝納德 (RB) 對流系統來解決。
對湍流熱通量分布和行為進行建模對于進一步提高熱交換效率和性能非常重要。
大多數流體流動遵循湍流特性。當使用納維-斯托克斯方程以數學方式描述湍流時，通常會遇到一些限制。為納維-斯托克斯方程找到滿足初始條件并在湍流流體流動中繼續保持有效的獨特解是工程師面臨的常見挑戰。
大氣湍流就是一個例子，其中湍流熱通量的混沌性質使得求解控制方程在數學上具有挑戰性。大氣中存在湍流熱通量，即顯熱通量和潛熱通量。顯熱和潛湍熱通量在能量傳輸回大氣中發揮著重要作用。與大氣湍流類似，湍流熱通量存在于多種工程和技術系統中。我們將在本文中探討湍流熱通量。
大氣湍流熱通量
由于湍流熱通量，地球表面以輻射形式接收的能量被傳輸回大氣層。大氣中的湍流熱交換發生在毫米到公里范圍內的運動尺度上。大氣中有兩種湍流熱通量，即顯熱通量和潛熱通量，引起能量傳輸。白天，感熱通量使大氣加熱至 100m 左右。
雖然湍流在大氣和海洋中自然發生，但人類也將湍流納入了一些工程和技術過程中。讓我們在接下來的部分中了解一下湍流熱對流以及如何測量湍流熱通量。
瑞利數、普朗特數、努塞爾數與湍流熱對流的關系
湍流熱對流在工程技術和工業系統中用于傳熱和混合。湍流熱對流問題通常使用范式系統或瑞利貝納德 (RB) 對流系統來解決。以下無量綱數對于描述湍流傳熱和湍流熱對流具有很大的相關性。
瑞利數 -描述自然對流換熱的層流或湍流性質的無量綱量。瑞利數與格拉霍夫數和普朗特數的關系如下：
Ra x = Gr x * Pr
普朗特數 -普朗特數表示為動量擴散率與熱擴散率的比率。它給出了流體中湍流動量交換和湍流傳遞能力之間的相似性。普朗特數是流體的固有屬性。
展開 計算將考慮管道內臨界熱通量和干涸后傳熱的影響。管道的外壁是用恒定的熱流量加熱的。
計算域：圓柱直徑5mm，通道長度設為7m
兩相流：水連續相，水蒸氣為離散相
邊界條件：水流入流量為1495kg/m2/s，壁面熱通量為797000W/m2
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為9600。
計算設置
本次計算問穩態計算，湍流模型選擇RNG k-epsilon。考慮重力影響，選擇軸對稱計算。
物質屬性
計算物質設置為液態水和水蒸氣
多相流模型
選擇歐拉多相流模型，主相設為水，次相設為水蒸氣
邊界條件
設置管道下方水流入邊界條件
出口為壓力邊界條件
壁面邊界條件
計算結果
計算域液體體積百分比云圖
計算值與實驗值對比
溫度對比圖表
參考文獻
N. Hoyer, “Calculation of dryout and post-dryout heat transfer for tube geometry”, International Journal of Multiphase Flow, Vol 24, pp. 319-334, 1998
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目標
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理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創建靜力結構系統
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太陽能電池板將太陽能轉化為電能，并可儲存起來。將多塊太陽能電池板排列成陣列，并隨太陽光線方向改變朝向，有助于最大限度地吸收可用的太陽能。
在仿真案例中，將一個簡單的球體放置在典型的硅材料太陽能電池板上方，指示了穩態下到達板面的熱流密度以及表面的溫度分布。這里不考慮電池板表面的自由對流，僅研究輻射效應。
目標
觀察由于一個發熱物體的輻射作用，太陽能電池板上的熱流密度和溫度分布。
1.三維電磁感應加熱（附帶完整計算命令流及注釋說明）2.鋼球的淬火（附帶完整計算命令流及注釋說明）3.二維靜態磁場分析（附帶完整計算命令流及注釋說明）。
三維電磁感應加熱---感應加熱的激勵源為365000HZ的交流電，線圈電流密度為2.04e8A/m^2，線圈和管子的幾何模型如下圖所示：
鋼球的淬火---淬火是把鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后快速冷卻的一種熱處理工藝方法
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習3D打印頭三維模型的處理
2、學習穩態熱分析步的建立
3、學習穩態熱分析的邊界條件的施加
4、學習穩態熱分析的載荷的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020R2.
案例介紹了ANSYS workbench
OCAD應用：光學系統熱環境分析2個月前
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演示了對筆記本電腦進行穩態熱分析的流程。其中涵蓋了對流、溫度相關導熱系數、接觸熱導以及內部熱源的使用方法。
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