輻射換熱的案例
Workbench平板間輻射換熱問題（原創，若轉載，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，涉及發射率、吸收率等相關參數。
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：技術鄰 一無所有就是打拼的理由
技術難點：兩平板間吸收率及發射率的設置
可代做業務：穩態，瞬態熱分析，結構分析等
結果有不妥之處，歡迎大家指正。
abaqus輻射換熱模擬過程詳解 ￥99
之前 發表過一個輻射換熱的帖子，很多小伙伴沒有很明白，現在我以視頻的方式向大家說明下具體詳細做法,后邊附加工程文件inp供大家參考學習。
幾種常見的散熱器優化設計思路
圖6-9 一些通過擾動空氣流動提高換熱效率的散熱器設計
在系統級的產品中，散熱器設計、風扇選型和風道設計三者之間的組合優化是相當復雜的。當存在多個發熱點、多個散熱器、多顆風扇時，需要各部件之間相互配合，做到有效利用系統風量，弱化彼此熱點間的級聯效應，從而達到最優的設計組合。
3、輻射換熱——選擇合適的表面處理方式
使用自然散熱的電子產品，輻射換熱往往占有不可忽略的比例。當散熱器幾何結構設計已經完成時，表面處理方式會顯著影響換熱效果。電子產品工作的溫度范圍內，紅外線是主要的熱輻射波長。輻射換熱強度與產品的紅外輻射率成正比。對于暴露在陽光下的戶外產品，設備表面與太陽之間的輻射換熱則與其可見光輻射率成正比。關于原因，可以參考第二章輻射換熱的部分。
注：表面的紅外發射率與其表面溫度有關，列示的值僅供參考。
由上可知，對于輻射換熱，表面處理應當按照如下思路進行設計：
室內產品：結合散熱器的工作溫度，提高表面紅外輻射率；
散熱器暴露在陽光下的產品：提高表面紅外輻射率，降低表面可見光輻射率。
圖6-10 室內產品表面發黑處理，強化紅外輻射（a）
室外產品表面噴涂淺色涂料，降低可見光吸收率（b）（c）
4、總結
假定產品內部其它部分設計都已定型，從三種基本熱量傳遞方式的角度進行歸納，散熱器的主要優化思路可總結如下：
（END）
參考文獻
[1] YounesShabany, 夏班尼, 余小玲,等. 傳熱學:電力電子器件熱管理[M]. 機械工業出版社, 2013.
作者簡介：
陳繼良，著有書籍《從零開始學散熱》。
文章來源：熱設計
展開 電子設備熱設計(Thermal Design of Electronic Equipment)-9
一、輻射換熱
熱設計工程師通常不關心電子元件和外殼的輻射換熱。
影響輻射換熱的三個因素是物體與其周圍環境之間的溫差、物體與其周圍的表面特征以及物體對周圍環境的狀態。
首先，溫度差是設備外殼和外部機箱之間的差值，或者外部機箱和房間墻壁之間的差值。由于輻射熱傳遞是基于這種溫差的，當組件與其周圍環境之間的差值變得足夠高，輻射散熱就變得足夠重要了，此時設備很可能已經超過了其最高結溫。但在室溫下，輻射換熱還不到空氣中對流換熱所能傳遞熱量的10%。
其次，覆蓋設備或機箱的表面特性是另一個重要變量。電子產品中使用的材料通常對輻射是不透明的。但在用于電子器件的溫度范圍內，表面的顏色不會影響輻射發射率。
最后是視圖因子。這是離開一個表面并被另一個表面攔截的輻射的分數。對于較大球體內的球體，這可能高達1.0，或者非常低，例如兩個角度接近180°的板。代數方程可以計算視圖因子，不過這通常需要在計算機的幫助下完成。
盡管在電子封裝時通常不考慮輻射，但封裝可能會通過靠近高溫源來吸收輻射熱。這種情況可能發生在汽車的發動機艙中，其中電子模塊暴露在熱發動機部件和排氣歧管的輻射熱中。雖然物體的顏色在輻射冷卻中并不重要，但當物體可以從寬帶輻射源吸收熱能時，顏色就很重要了，尤其是當我們將電子封裝暴露在陽光下時。
二、自然對流和輻射換熱條件下的電子散熱器
半導體技術的快速發展已經導致微電子器件的散熱增加。被動冷卻是電子和電力電子設備的廣泛首選方法，因為它是一種價格低廉、安靜且無故障的解決方案。空氣冷卻被認為是電子封裝熱設計中的一項重要技術，因為在成本、空間和重量限制下，使用翅片來增強空氣冷卻是最簡單有效的散熱器結構。因此，開發一種系統的空氣冷卻散熱器設計方法對于滿足當前的熱需求和未來電子元件的高溫具有非常重要的意義。
展開 
ABAQUS培訓案例之熱分析-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，其周期對稱性在設置輻射換熱時可以設置，另一個代表周邊環境的ambient。模型先進行了穩態分析，然后建立2個瞬態分析步，實現環境溫度為800時對fin加熱的過程，和環境溫度38時fin部件的冷卻過程。當然除了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置。
目標：輻射換熱與對流換熱設置，cavity radiation應用。
材料：材料參數定義了Density為7800，Conductivity和SpecificHeat分別為50和500（SI單位制）。
分析步設置：本案例設置了三個分析步，step-1為熱穩態分析步，step-2和step-3為瞬態分析步，如下圖所示。歷史輸出設置output三個節點的溫度輸出。
圖2 分析步設置
相互作用設置：定義了三個換熱條件，設置bot面換熱系數Surfacefilm condition為2500，熱沉溫度100，srfs面換熱系數Surface film condition為10，step-1熱沉溫度38，step-2時為800，step-3時改為38。設置srfs和samb之間的輻射換熱Cavity radiation，發射系數為0.8和1，并設置Symmetry對稱，如下圖所示。
圖3 換熱設置
邊界條件：設置所有區域初始溫度為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 空腔內的輻射換熱計算
計算設置
本次計算假定各向同性散射和輻射平衡，不考慮流場計算。
物質屬性
計算物質設置為空氣，設置它的散射系數為0.5/m
熱輻射模型
選擇DO熱輻射模型
邊界條件
設置墻體的溫度值
計算結果
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 有限元熱力學常見概念匯總
影響對流傳熱強弱的主要因素有：
1. 對流運動成因和流動狀態；
2. 流體的物理性質（隨種類、溫度和壓力而變化）；
3. 傳熱表面的形狀、尺寸和相對位置；
4. 流體有無相變（如氣態與液態之間的轉化）;
3.實例應用,
在不同的情況下，傳熱強度會發生成倍直至成千倍的變化，所以對流換熱是一個受許多因素影響且其強度變化幅度又很大的復雜過程;
4.對流換熱系數的大致量級：
空氣自然對流 5 ～ 25
氣體強制對流 20 ～ 100
水的自然對流 200 ～1000
水的強制對流 1000 ～ 15000
油類的強制對流 50 ～ 1500
水蒸氣的冷凝 5000 ～ 15000
有機蒸汽的冷凝 500 ～ 2000
水的沸騰 2500 ～ 25000
Emissivity(綜合輻射系數)
自然界中的各個物體都在不停地想空間散發出輻射熱，同時又在不停地吸收其他物體散發出的輻射熱，這種在物體表面之間由輻射與吸收綜合作用下完成的熱量傳遞就是輻射換熱。
輻射換熱是各種工業爐、鍋爐等高溫熱力設備中重要的換熱方式。常見的問題有兩類：固體表面間的輻射換熱，取決于輻射角系數F和黑度ε值；固體表面間夾有氣體的輻射換熱，除F和ε值外，還與氣體夾層厚度及其黑度有關。
展開 循環流化床鍋爐富氧燃燒技術
廖海燕以某200MW富氧燃燒鍋爐為例，通過理論計算發現爐內高溫區段由于煙氣中三原子氣體濃度較高，輻射傳熱強度增加，而低溫區段則由于煙氣量減少導致對流傳熱強度減弱。
CFB鍋爐結合富氧燃燒技術具有以下優勢：
1．1 爐內換熱強度增加
爐膛內熱量傳遞的方式主要是輻射換熱。而決定輻射換熱強度的主要因素是煙氣中三原子和多原子氣體濃度。在空氣含量氧為21%的燃燒方式下，爐內煙氣的主要成分為氮氣，煙氣的黑度較低，導致鍋爐輻射換熱強度較低。在富氧助燃技術的條件下，由于空氣量及煙氣量大大減小，使得火焰溫度和黑度隨著空氣中含氧量的增加而顯著提高，爐內水冷壁輻射換熱強度顯著增加。
中科院完成了410t/h富氧燃燒CFB鍋爐的技術方案，該方案通過計算爐內受熱面吸熱份額，最終確定鍋爐助燃空氣中氧氣含量的最高限值為30%，此時如果含氧量繼續提高，煙氣量將繼續減小，為保證燃盡時間，爐膛橫截面積將會減小，因此，富氧空氣的含氧量存在一個最優值。
1．2燃料爐內停留時間相對延長
延長CFB鍋爐物料在爐內的停留時間，可以減小飛灰含碳量。物料在富氧條件下的燃燒反應速率大大超過在空氣中的燃燒速度，氫氣、乙炔在純氧中的燃燒速度是在空氣中的4~5倍，天然氣、丙烷、丁烷達到10倍左右。CFB鍋爐采用富氧空氣助燃后，由于燃燒速度加快，爐內反應時間相對延長，熱傳導性能改善，有利于燃料燃盡，降低鍋爐固體不完全燃燒損失。
1．3排煙損失減小
排煙損失是鍋爐各項損失中比例最大的部分，降低鍋爐的煙氣量可以降低鍋爐的排煙損失，從而提高鍋爐效率。采用富氧燃燒技術，可以去除不參加燃燒反應的氮氣部分，避免該部分在燃燒過程中被同時加熱，攜帶熱量排除鍋爐。
展開 利用AcuSolve進行LED燈管的熱分析
毋庸置疑，對流可以造成熱損失。但需要注意的是，與強制對流不同，在很多自然對流現象中，向環境的輻射散熱損失往往不容忽視。此處提及的案例中，輻射熱損失大約占總熱損失的三分之一。要對散熱器的熱損失進行精確建模，需要將自然對流與輻射均納入分析之中。散熱器表面附近的空氣溫度要高于周圍環境的空氣溫度，故這兩處空氣的密度差導致了空氣流動，因此要對自然對流熱損失進行建模，便需要使用特定工具將熱損失與散熱器周圍的空氣流動進行耦合。此外，由邊界層效應導致的空氣滯留也需要考慮在內，尤其在散熱器的散熱片間距設計得較小時更需如此。AcuSolve不僅可以對這些邊界層效應進行三維建模，還可防止設計者將散熱器的間距設計得過小。在對散熱器進行冷卻分析時，還需要對輻射熱損失進行建模。對于某些散熱片的設計，可能還會涉及相鄰散熱片之間的熱輻射，而有些設計則僅涉及散熱片對環境的熱輻射。在第一種情況中，向環境的輻射散熱損失將受限，這對于冷卻設備來說并不是理想之選。毫無疑問，第二種情況更符合要求，因為其散熱目標便是最大限度地將熱量散發（以輻射的方式）到周圍環境中。為實現這一目標，需要計算出散熱器不同部分的輻射換熱因子。AcuSolve通過半立方體算法即可算出這些輻射換熱因子。使用這種輻射換熱因子方法的一大優勢便是，相對于非輻射的情況，輻射情況的計算速度得以大幅度增加。這樣，設計師便可以對散熱器的設計進行優化，從而使向環境的輻射散熱損失達到最大化。AcuSolve可以處理在該系統中發生的所有熱傳遞現象（傳導、對流和輻射）。為測試AcuSolve對以自然對流和熱輻射形式向環境中散熱的過程進行建模的能力，專門設計并制造了一臺散熱器。圖1所示為該塑料散熱器。在散熱器的底座上安裝有一個 PCB（綠色），其上設有三個 LED（紅色）。每個LED均相當于一個熱源，可產生 1.4 W 的熱量。
展開 利用AcuSolve進行LED燈管的熱分析
散熱器表面附近的空氣溫度要高于周圍環境的空氣溫度，故這兩處空氣的密度差導致了空氣流動，因此要對自然對流熱損失進行建模，便需要使用特定工具將熱損失與散熱器周圍的空氣流動進行耦合。此外，由邊界層效應導致的空氣滯留也需要考慮在內，尤其在散熱器的散熱片間距設計得較小時更需如此。AcuSolve不僅可以對這些邊界層效應進行三維建模，還可防止設計者將散熱器的間距設計得過小。在對散熱器進行冷卻分析時，還需要對輻射熱損失進行建模。對于某些散熱片的設計，可能還會涉及相鄰散熱片之間的熱輻射，而有些設計則僅涉及散熱片對環境的熱輻射。在第一種情況中，向環境的輻射散熱損失將受限，這對于冷卻設備來說并不是理想之選。毫無疑問，第二種情況更符合要求，因為其散熱目標便是最大限度地將熱量散發（以輻射的方式）到周圍環境中。為實現這一目標，需要計算出散熱器不同部分的輻射換熱因子。AcuSolve通過半立方體算法即可算出這些輻射換熱因子。使用這種輻射換熱因子方法的一大優勢便是，相對于非輻射的情況，輻射情況的計算速度得以大幅度增加。這樣，設計師便可以對散熱器的設計進行優化，從而使向環境的輻射散熱損失達到最大化。AcuSolve可以處理在該系統中發生的所有熱傳遞現象（傳導、對流和輻射）。為測試AcuSolve對以自然對流和熱輻射形式向環境中散熱的過程進行建模的能力，專門設計并制造了一臺散熱器。圖1所示為該塑料散熱器。在散熱器的底座上安裝有一個 PCB（綠色），其上設有三個 LED（紅色）。每個LED均相當于一個熱源，可產生 1.4 W 的熱量。為了對PCB和散熱器之間的接觸熱阻進行建模，在PCB和散熱器之間涂有一層薄薄的導熱膏。建模時，散熱器周圍的空氣體積（淺藍色）的尺寸設定為8H和8D，其中D=散熱器直徑=46mm，而H=散熱器高度=39mm。在建模過程中，假定環境溫度為25 °C。
展開 ABAQUS淬火 ￥5
基于ABAQUS淬火溫度場和應力場模擬
1.前處理（建模、創建材料、裝配和網格劃分）
2.求解
（1）求解器：溫度-位移耦合；150s冷卻
（2）連接關系：水淬；對流換熱，不考慮輻射換熱（意義不大）
輻射換熱q
理論上對流換熱系數隨冷卻時間變化規律簡化為升高、持續和下降，實際上其對溫度場的影響結果不大，通常取常數。
該模擬不考慮相變，應力場忽略了組織轉變對應力的影響。
（3）邊界條件：約束定義和溫度設定(約束要正確)
3.后處理
應力場
溫度場
利用AcuSolve進行LED燈管的熱分析
為對散熱器向環境散熱的過程進行模型，必須要考慮到相關的熱傳遞機理。毋庸置疑，對流可以造成熱損失。但 需要注意的是，與強制對流不同，在很多自然對流現象中，向環境的輻射散熱損失往往不容忽視。此處提及的案例中， 輻射熱損失大約占總熱損失的三分之一。要對散熱器的熱損失進行精確建模，需要將自然對流與輻射均納入分析之中。 散熱器表面附近的空氣溫度要高于周圍環境的空氣溫度，故這兩處空氣的密度差導致了空氣流動，因此要對自然對流 熱損失進行建模，便需要使用特定工具將熱損失與散熱器周圍的空氣流動進行耦合。此外，由邊界層效應導致的空氣 滯留也需要考慮在內，尤其在散熱器的散熱片間距設計得較小時更需如此。AcuSolve 不僅可以對這些邊界層效應進 行三維建模，還可防止設計者將散熱器的間距設計得過小。在對散熱器進行冷卻分析時，還需要對輻射熱損失進行建 模。對于某些散熱片的設計，可能還會涉及相鄰散熱片之間的熱輻射，而有些設計則僅涉及散熱片對環境的熱輻射。 在第一種情況中，向環境的輻射散熱損失將受限，這對于冷卻設備來說并不是理想之選。毫無疑問，第二種情況更符 合要求，因為其散熱目標便是最大限度地將熱量散發（以輻射的方式）到周圍環境中。為實現這一目標，需要計算出 散熱器不同部分的輻射換熱因子。AcuSolve 通過半立方體算法即可算出這些輻射換熱因子。使用這種輻射換熱因子 方法的一大優勢便是，相對于非輻射的情況，輻射情況的計算速度得以大幅度增加。這樣，設計師便可以對散熱器的 設計進行優化，從而使向環境的輻射散熱損失達到最大化。AcuSolve 可以處理在該系統中發生的所有熱傳遞現象（傳 導、對流和輻射）。為測試 AcuSolve 對以自然對流和熱輻射形式向環境中散熱的過程進行建模的能力，專門設計并 制造了一臺散熱器。圖 1 所示為該塑料散熱器。
展開 Flownex燃機二次空氣系統優化設計
主要可以應用在旋轉盤或者渦輪葉片中冷卻通道內的流動，其中管路可以為任意的截面形狀管路，也可以放置在三維空間中，計算過程中考慮了體積力，摩擦力以及換熱過程。
旋轉孔口：該元件用于模擬連接盤腔的孔口或者噴嘴，可以設置進口和出口的角度、進口和出口的半徑以及渦流比等參數；可以考慮三種不同的進口：矩形進口、圓形進口或者倒角進口；能夠考慮進口半徑、倒角、長度、可壓縮性以及進口角度等。
盤腔：轉子-轉子盤腔元件可用于模擬兩個旋轉的盤或者葉片之間形成的盤腔的氣流流動；轉子-靜子盤腔用于模擬一個旋轉的盤或者葉片與一個靜止的盤或葉片之間形成的盤腔的氣流流動，例如渦輪的冷卻氣流。元件計算得到盤腔間氣流的壓力分布；核心區的渦流比通過進出口氣流動量平衡方程計算得到；可以計算壓力和溫度的變化；并且允許連接任意數量的氣流。
同時，Flownex提供的所有換熱元件，包括導熱、對流、輻射以及氣膜冷卻等均可以和任意的旋轉元件相連接，計算其換熱過程。
導熱：包含徑向導熱和軸向導熱元件。需要給定幾何參數及材料特性，其中徑向導熱元件通常和對流換熱或者輻射換熱元件相連接。
對流換熱：可用于計算火焰筒外壁面與冷氣流的對流換熱過程，可以指定對流換熱系數，也可以根據流場中的Re和Pr數計算得到換熱系數。
輻射換熱：包括體輻射與面輻射，可以用于計算燃燒高溫流體與火焰筒之間、壁面與壁面之間的輻射換熱過程。
氣膜冷卻：該元件通常為發動機燃燒室或者渦輪葉片冷卻計算時經常采用的元件。可以用于計算火焰筒內壁面的氣膜冷卻換熱過程。
展開 Flownex燃機二次空氣系統優化設計
主要可以應用在旋轉盤或者渦輪葉片中冷卻通道內的流動，其中管路可以為任意的截面形狀管路，也可以放置在三維空間中，計算過程中考慮了體積力，摩擦力以及換熱過程。
旋轉孔口：該元件用于模擬連接盤腔的孔口或者噴嘴，可以設置進口和出口的角度、進口和出口的半徑以及渦流比等參數；可以考慮三種不同的進口：矩形進口、圓形進口或者倒角進口；能夠考慮進口半徑、倒角、長度、可壓縮性以及進口角度等。
盤腔：轉子-轉子盤腔元件可用于模擬兩個旋轉的盤或者葉片之間形成的盤腔的氣流流動；轉子-靜子盤腔用于模擬一個旋轉的盤或者葉片與一個靜止的盤或葉片之間形成的盤腔的氣流流動，例如渦輪的冷卻氣流。元件計算得到盤腔間氣流的壓力分布；核心區的渦流比通過進出口氣流動量平衡方程計算得到；可以計算壓力和溫度的變化；并且允許連接任意數量的氣流。
同時，Flownex提供的所有換熱元件，包括導熱、對流、輻射以及氣膜冷卻等均可以和任意的旋轉元件相連接，計算其換熱過程。
導熱：包含徑向導熱和軸向導熱元件。需要給定幾何參數及材料特性，其中徑向導熱元件通常和對流換熱或者輻射換熱元件相連接。
對流換熱：可用于計算火焰筒外壁面與冷氣流的對流換熱過程，可以指定對流換熱系數，也可以根據流場中的Re和Pr數計算得到換熱系數。
輻射換熱：包括體輻射與面輻射，可以用于計算燃燒高溫流體與火焰筒之間、壁面與壁面之間的輻射換熱過程。
氣膜冷卻：該元件通常為發動機燃燒室或者渦輪葉片冷卻計算時經常采用的元件。可以用于計算火焰筒內壁面的氣膜冷卻換熱過程。
展開 電廠天然氣鍋爐應用富氧燃燒時爐內溫度分布的數值模擬
此外，隨著氧氣濃度的增加，溫度分布逐步變得不均勻，這是因為對流換熱系數發生了改變[15]。
從相關研究來看，近幾年針對電廠鍋爐富氧燃燒技術的研究逐漸增多，但大多集中在煤粉爐，針對天然氣鍋爐的富氧燃燒技術方面的研究較少，而且大多集中在工業爐方面。
本文應用數值分析的方法，以某電廠325MW天然氣鍋爐為研究對象，研究富氧燃燒條件下氧氣體積分數對爐內燃燒特性的影響。
1 模型與邊界條件
本文所研究的鍋爐為某電廠325MW塔式箱形天然氣鍋爐，為亞臨界自然循環，采用一次中間再熱。燃燒方式為前后墻對沖燃燒，燃料為天然氣。燃燒器布置在爐膛水冷壁的前、后墻上，采用旋流燃燒器，共24只，前后墻各12只。一次風在燃料著火之前與之混合，二次風是燃燒器主要供風部分。 同一燃燒器的二次風及分級風旋轉方向相同，相鄰及相對兩個燃燒器的二次風及分級風旋轉方向均相反。鍋爐的主要參數及燃料成分見表1和表2。
由于計算模型為三維，對模型的網格劃分大部分采用了六面體網格，網格劃分情況如圖2所示，為了增加計算精度，燃燒器區域的網格采用嵌套技術進行劃分，網格分布相對其他區域較為密集。網格總數為62萬。網格示意圖見圖1。
湍流模型采用標準 k-ε模型，燃燒計算采用渦團耗散模型，由于爐內熱量傳遞90%來自于輻射換熱，因此爐膛壁面熱負荷只考慮輻射換熱，輻射模型P1模型。燃燒器噴口設置為速度入口，煙氣出口設置為自由出口。
本文分別針對傳統燃燒方式及O2/CO2比例為21%～40%共計九個工況進行模擬計算，具體工況劃分見表3。
一次風無旋流，二次風旋流數為1.0，分級風旋流數為0.5。保持一二次風率不變。
旋流數為衡量旋轉射流的旋流強度的參數，其物理意義為為角動量的軸向通量與軸向動力的軸向通量之比值，旋流數的表達式為：
式中：——噴嘴半徑，單位m。
展開 