1、第 7 章,其它对流/热流密度载荷选项 和简单的热/流单元,对流/热流作为面载荷施加,对流和热流密度边界条件可以作为面载荷施加 : 几何模型(2-D中的线, 3-D中的面), 忽略模型是否已经划分网格 ( ANSYS SFL, SFA 命令 ) 在单元面上 ( ANSYS SFE 命令 ) 在节点上 (ANSYS找到所有面都在节点集合中的单元，然后施加对流在单元面上 。ANSYS SF 命令 ) 在上述实体上只能施加一种热面载荷。也就是说，不能同时施加热流和对流边界条件到单元上。,表面效应单元,表面效应单元; SURF151 (2-D), SURF152 (3-D), 可以覆盖在任何2-D 热
2、实体 (除了谐波单元PLANE75和PLANE78) 或 3-D 实体单元上。,SURF152,SURF151,为何使用表面效应单元?,给出了更多的灵活性，定义随温度变化换热系数的温度，平面温度，流体温度，平均温度，温度微分的绝对值。 允许用户对相同单元面或区域施加多个平面载荷(如热流密度和对流)。 在介质温度未知的情况下，提供了一个建立对流效果的方便办法。单元有附加节点可以与模型中其它单元相连 (如热-流单元FLUID116) 。 单元可以用于对表面热生成效果建模，因为热生成速率是作为体载荷输入的(需要输入厚度实常数)。,为何使用表面效应单元? (续),允许计入简单的辐射效果，如辐射到空气中
3、。 在选择的模型区域对表面热流密度和对流结果进行后处理时很方便。 当附加节点温度与介质温度相同时，提供了方便的手段(列出响应热流)得到的对流净温度损失/获得。,表面效应单元的特殊用途,介质温度可以从附加节点得到 (使用 D 命令) 或指定 (SFE 命令)。 通过USERCAL命令激活USERCV用户子程序，可以用SFE命令来修改指定的换热系数。USERCV可以修改带有或不带附加节点的表面效应单元上的换热系数。这允许用户在程序中使用特殊的换热系数计算 (参考 ANSYS Programmers Manual 得到细节)。 当FLUID116单元与第三个节点相连时，其它计算换热系数和介质温度的选
4、项的时候也可以使用。,创建带有附加节点的平面单元的步骤,假设热/流单元(FLUID116)不与表面单元一起使用，下面的步骤是创建带有附加节点的平面单元的过程 : 定义平面效果单元类型并带有 “附加节点” 选项。 象通常情况下划分 2-D或 3-D实体区域。 生成附加节点。 选择要生成表面效应单元的面上的节点并选择与之相连的实体单元。 将缺省属性 (单元类型，材料特性，实常数序列)设置为要生成的平面效果单元。 (生成使用FLUID116单元的表面效应单元的过程见7-31)。,创建带有附加节点的平面单元的步骤(续),然后，用户将选择或输入节点号码确认附加节点。,1,2,Main MenuPrepr
5、ocessorModelingCreateElements,创建不带附加节点的表面效应单元的步骤,在大多数情况下，表面效应单元使用带有附加节点的选项。但是，也可以创建不带附加节点的表面效应单元 (如只有热流载荷)。使用下列步骤操作: 定义不带“附加节点”的平面效果单元。 象通常情况下划分 2-D或 3-D实体区域。 选择要生成平面效果单元的面上的节点并选择与之相连的实体单元。 将缺省属性 (单元类型，材料特性，实常数序列)设置为要生成的平面效果单元。,创建不带附加节点的表面效应单元的步骤(续),1,2,注: 不带附加节点的平面效果单元也可 以使用划分线的操作得到 (LMESH)。 在使用这种方
6、法时，平面效果单元的坐 标系将由线的方向确定而非覆盖的实体 单元坐标系。,Main MenuPreprocessorModelingCreateElements,表面效应单元的图形显示,在缺省情况下，如果绘制单元图，ANSYS将表面效应单元象面一样显示，附加节点以点显示。,附加节点,面,表面效应单元的图形显示,单元图的形式可以改变为下图的样子。这样可以清晰地识别附加节点。,1,2,3,对流连接单元,对流连接单元(LINK34)可以用于多种情况 : 在热网格模型中作为对流连接 在热/流单元和2-D和3-D热实体单元间作为对流连接 (通常平面效果单元较容易实现) 在两个或多个部分定义接触热阻时作为
7、一种方法。由于对流单元不需要长度，节点I 和 J可以是重合的(不象对流连接单元LINK32和LINK33)。,LINK34,对流连接单元 (续),节点I和J之间的热流速率可以定义为:见ANSYS单元手册 4-34 。,接触热阻,两个面(不同温度)在接触时接触处温度会有降低。降低是由两个平面不完全接触引起的。不完全接触，也叫接触热阻，可以有下面许多原因造成影响: 平面平整度 平面光洁度 氧化 气泡 接触压力 平面温度 润滑剂的使用,DT,T,x,接触热阻 (续),通常当需要接触热阻效果时，要使用对流单元连接接触面。本方法需要每个平面上的节点是对齐的 (通常重合)。因为用对流连接单元（对于具有一致
8、节点的面很方便）定义的热阻不是单元长度的函数，因此对流单元比传导杆单元好。接触热阻的两种方法在下面叙述。,Convection elements,Convection elements,使用对流连接单元进行接触热阻建模,LINK34 对流连接单元可以建立接触热阻。热阻由LINK34的实常数来控制。热阻定义为:如果E=F=1 (n,CC=0), hf*A 是热传导，因此是热阻的倒数。,使用对流连接单元进行接触热阻建模(续),下面的步骤用于在相邻部分生成LINK34单元的接触热阻: 划分各部分使得网格对齐 (接触面上网格重合) 激活适当的单元类型，材料特性和实常数 选择接触面上的节点序列 使用EI
9、NTF命令自动生成单元 : (Preprocessor Modeling Create Elements Auto-numbered At Coincident Nodes),接触面上的对流杆单元(注: 平面边缘的单元实参不同),为了清晰显示而夸大了的面的分离,使用对流杆单元进行接触热阻建模,2-D SURF151 和3-D SURF152 热平面效果单元可以用于模拟接触热阻。当使用表面效应单元时，使用两个具有共同附加节点的表面效应单元如图。附加节点的位置不重要，但它们同属于表面效应单元。定义 Hf 数值为LINK34单元的两倍因为有实际的两个接触热阻存在。这与模拟平面荷小管路的流体间的对流过
10、程类似 (在下一部分阐述)。不同之处在于附加节点也用于定义热-流单元。,为了清晰显示而夸大了的面的分离,共享的附加节点,1-D 热/流单元 - FLUID116,本单元对一维热和流体建模，但它可以用于2-D 或 3-D 实体单元。缺省情况下，单元每个节点有两个自由度，压力和温度，可以用于稳态和瞬态分析。在绝大多数情况下, FLUID116 用于在2-D 和3-D 模型中包括热质量传递和对流效果 而不使用复杂的计算流体动力学模型。,FLUID116,1-D 热/流单元 - FLUID116 (续),温度荷流分布为1-D (沿 I-J 轴)。 用户可以指定流速 (使用SFE命令的HFLUX标号)，
11、避免非线性流动计算或提供流体传导 (或给程序计算流体传导提供足够的数据)。程序基于 Bernoullis 方程就可以通过流体网格方程计算压力和流分布。 热效果包括: 长度方向的传导 热质量传递 内部热生成 (用户指定或计算粘性热流) 通过可选节点 (K,L)对流或使用 FLUID116 节点作为平面效果单元的附加节点。,1-D 热/流单元 - FLUID116 (续),流动效果可以包括管路摩擦损失和损失系数。 使用标准的ANSYS命令如 ACEL, OMEGA,可以考虑泵和其它惯性效果。,1-D 热/流单元 - FLUID116 (续),一个单元的平衡方程为:,1-D 热/流单元 - FLUI
12、D116 (续),使用 FLUID116时应考虑下列问题: 当包含热质量传递效果时，热传导矩阵是非对称的，因此要需要更多的求解空间。 在Bernoullis 方程中,压力降 (Pi - Pj)与流 (w) 不是线性关系，因此如果计算流速就需要非线性流求解。流计算可以用给出流速 (使用命令)跳过并使用关键选项为只有温度 DOF 。 在瞬态分析中，流速变化是瞬时的。流体压缩效果可以通过理想气体假设包括进来。 由于质量传递引起的能量变化在单元的输出节点集中 (流体流出节点).,FLUID116 单元选项描述,KEYOPT(1) 自由度 0, PRES and TEMP 1, TEMP 2, PRES
13、 KEYOPT(2) 0, 2 节点无对流效果 1, 2 节点和对流信息传递到SURF151/152 单元 2, 4 节点和对流面通过实常数提供,FLUID116 单元选项描述 (续),KEYOPT(5) 在何时温度有 hf=f(T) 0, 平均流体温度(Ti+Tj)/2 1, 平均墙温度(Tk+Tl)/2 2, 平均单元温度(Ti+Tj+Tk+Tl)/4 3, 温差=平均流体平均壁面,KEYOPT(4) 本选项决定如何定义换热系数 (见 7-29),FLUID116 单元选项描述 (续),KEYOPTs (6),(7),(8) 控制如何计算流体传导,对流热传递到/从 FLUID116,定义对
14、流面的方法: 使用可选节点 (K,L), 用户在节点 (K,L)实参指定对流面或由程序基于实参计算 - hydraulic diameter 用SURF151/152单元处理对流将节点 I 或 J 作为附加节点,换热系数选项 - FLUID116,如果使用带有可选节点(K,L)的 FLUID116 ，这些选项可以用来指定hf: hf 由 MP命令指定 hf 由与Nusselt (hf*D/Kxx), Reynolds 和 Prandtl 数有关的方程定义 使用 TB 命令用表格输入: hf 为温度和平均速度的函数 hf 为温度和 Reynolds 数的函数 Nusselt 数为 温度和Reyn
15、olds 数的函数 使用用户子程序 USER116HF (参考 ANSYS Programmers Manual),换热系数选项 - FLUID116 (续),如果使用 FLUID116 为SURF151/152“附加节点”, 可以使用下列选项定义hf: hf 通过SFE命令指定给SURF151/152 单元 hf 由用户子程序 USERCV 激活 USERCAL命令给出 hf 使用用户子程序 USERSURF116, 注意使用本程序将覆盖所有由SFE或USERCV定义的数值,与表面效应单元的接口,已经有宏用来对使用FLUID116 结点作为SURF151 和 152单元附加结点进行自动建模。
16、 该宏迅速地以最近的FLUID116 结点作为 “附加结点”生成表面效应单元。 LFSURF,Sline,Tline 使用表面效应单元划分线组元 “Sline”并使用已经在线组元“Tline”划分好 FLUID116 的最近结点作为附加结点。 AFSURF,Sarea,Tline 使用表面效应单元划分面组元“Sarea”并使用已经在线组元“Tline”划分好 FLUID116 的最近结点作为附加结点。宏中的组元名称在使用命令时必须使用单括号。,注: 当使用这些宏时，表面效应单元坐标系根据相应线方向或面的法线方向确定，不是象ESURF由覆盖的实体单元法线确定。,与平面效果单元的接口 (续),本宏
17、可以在 GUI中使用，如下:,1,2,3,4,5,在选择框中选择面/线。,FLUID116 单位,在绝大多数热分析中, 密度单位是不重要的。但是，密度和比热的乘积的单位是重要的。 当模型包括FLUID116 单元时, 密度和流速的单位是重要的并且要基于质量。这些单位的使用保证了与同数据库的结构分析的相容性。 单位序列例子: 传导率: BTU/(hr-ft-F) 密度: lbf-hr2/ft4 比热: BTU-ft/(lbf-hr2-F) 粘性: lbf-hr/ft2 流速: lbf-hr/ft,旋转部分的特殊功能,FLUID116 和SURF151/152 单元经常在建立旋转设备的热/流效果模
18、型时使用，如汽轮机。在这些模型中可以有特殊的功能 : 使用“绝热”墙温度作为介质温度 (见 ANSYS Theory Manual 14.152.2) 用户定义流体的角速度 (FLUID116 实常数) 和转速 (SURF151/152 实常数), 可以使用表格输入 (位置,时间的函数) 滑动因子 (FLUID116 实常数), 可以表格输入 恢复因子 (SURF151/152 实常数) 旋转轴 (SURF151/152 单元KEYOPT(3),有质量传递的热分析例子,气体饱和温度为 220F在小的铜管热交换器中凝聚。 铜管直径为5/8” ，壁厚为0.083”。 70F水以10 ft/sec的
19、速度进入管中。,ANSYS 输入文件见附录 B,有质量传递的热分析例子（续）,目标: 确定单管的第一英寸中水的温升和管外表面的温度分布假设: 轴对称模型和边界条件，稳态边界给出: 铜; K=60 BTU/(hr-ft-F)水; K=0.347 BTU/(hr-ft-F)C=0.988 BTU/(lbm-F)DENS=1.5E-7 lbf-hr2/ft4Ho=1800 BTU/(hr-ft2-F)Hi = 2500 BTU/(hr-ft2-F),在热质量交换中必须定义 (不是瞬态效果),有质量传递的热分析例子（续）,每步的重要提示:设置GUI过滤为 Thermal 使用参数定义尺寸，网格尺寸，材
20、料特性等 定义三种单元类型- FLUID116, SURF151, PLANE55 对FLUID116单元设置下列关键选项: keyoption(1)=1, 只有温度DOF, 用户提供质量流动因此单元是线性的 keyoption(2)=1, 对流信息传递给相连的SURF151,(Note: 建立模型和给定边界条件的输入文件在附录 B中给出),有质量传递的热分析例子（续）,对平面效果单元和实体单元设置下列关键选项: SURF151 - keyopt(3)=1, 轴对称keyopt(4)=1, 无中间结点keyopt(5)=1, 有附加结点 FLUID116keyopt(8)=2, 计算 Hf 在
21、 (Ts+Tb)/2 PLANE55 - keyopt(3)=1, 轴对称 定义参数 GC=32.2*(3600*2), 转换: 所有长度为英寸 密度=密度/GC 比热=比热*GC,有质量传递的热分析例子（续）,用定义数值参数方法将输入速率转换: 流=QAV=62.4*(pi*Ri*2)*10*3600 ! In lbm/hr 质量流=流/GC定义FLUID116单元的实常数 : hydraulic diameter (不需要) 流面 (用做热传导面) 通道数目 (一个)定义铜和水的材料特性。,有质量传递的热分析例子（续）,在管中心之下定义两条线共用一个关键点。这些线使用FLUID116 单元
22、划分。 第一条线为 1 第二条线有一个单元 (0.083/12) 。线方向是重要的，因为单元坐标系有线的方向确定; 正的质量流沿线方向。,1,2,3,Flow Direction,注: 由于热质量传递在FLUID116 单元的结点流出, 输出的线要精确度量管第一英寸的温度降。,有质量传递的热分析例子（续）,定义管横截面为矩形面1 x (0.083/12) 。确定其从管中心线偏移(0.0625/12) 。 在使用流体单元的线和使用实体的管面上指定属性 。 设置全局单元大小控制 (ESIZE)等于管壁厚 (0.083/12)。 用流体单元划分线。 用实体单元划分矩形面。,Flow Directio
23、n,有质量传递的热分析例子（续）,生成下列组元: WATERLIN - 用 FLUID116 单元划分的线 TUBELIN - 管内表面的线 设置缺省单元类型为SURF151并使用下面的宏命令生成平面效果单元，以最近的结点为第三个结点: LFSURF,TUBELIN,WATERLIN 在求解器中施加下列边界条件: 流体输入关键点上水温 (70F) 管外表面线上的对流 (Ho 和Tb) 平面单元上的对流 (Hi，使用 SFE) 指定FLUID116单元热质量交换，选择并输入 : SFE,ALL,HFLUX,MASSFLOW,有质量传递的热分析例子（续）,绘制整体模型并在每个端点放大, 使用四边形网格，管厚度方向有一个单元:,注: 一个单元通常不足以确定厚度方向的温度分布。,有质量传递的热分析例子（续）,求解结束后，可以得到下面的结果: 在管的第一英寸水温度从70 升高到77.55F 。 管外表面温度对长度的曲线 :,有质量传递的热分析例子（续）,所有有限元解要检查是否合理。手工检查见下：,
