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有限元分析中的传热分析过程
  • 时间: 2020-11-20
  • 作者: rootfea
  • 文章来源:

1传热分析介绍

热传导现象(传热分析)是热学分析里最重要的一种分析类型,热传导分为结构热传导与流体热传导,严格意义上,热传导现象仅在固体中单独体现,而流体中的热传导现象与热对流现象是同时发生的,这里仅介绍结构热传导问题。

2    热传导基础理论

热传导基本表达式为:

image001.png

其中:

1)   q是某个传热方向上的热通量(热流密度);

2)   Knn是某个传热方向上的热传导系数(又称为导热系数);

3)   T是温度矢量矩阵;

4)   image003.png是温度在某个传热方向上的热梯度;

5)   另外,表达式中的“-”(负号)指示热流正方向。

3    有限元分析中传热分析注意事项

1,热传导公式中的负号指示了热流方向,也就是说,热传导中的热总是从高温到低温传播的,因此,利用有限元分析技术求解热传导问题时,一定要保证热加载条件中满足高温与低温的差异,否则求解可能错误;

2,热传导问题中,不依赖于传热媒介的参数只有导热系数,也就是在材料属性输入过程中,一定要有导热系数;

3,热通量具有矢量特性,所以尽管热分析比较简单(一般不要过多的迭代次数),在网格划分时,一定要满足网格的均匀性与细致程度(特别是对于倒角处,往往此处热通量方向具有明显变化)。

4    实例展示

4.1 实例说明

假设一铝制条状结构(铝的基本材料属性导热系数=150W/(m. 0C),基本尺寸=300*50*16mm),其一端处于高温环境50摄氏度,另一端处于低温10 0C;分析该结构的温度分布情况以及热通量分布。

image005.png

4.2  分析思路与求解过程要点说明:

需求,假设其环境温度为常温22摄氏度,并且求解其温度稳定下的温度分布,选择稳态热传导分析

分析过程中,指定结构一端为高温加载条件,一端为低温加载条件

选择合适单元类型,并采用合适的网格技术得到合适的网格划分,确保网格划分后的有限元网格模型与实际模型接近

选择合适的计算机设备求解

对求解结果进行合理判断

4.3  实例结果与讨论

image007.jpg

温度分布图

 

image009.jpg

热通量向量图

4.4 结果判断与讨论:

从温度分布图可以看出,结构从高温到低温均匀分布;从热通量可以看出,在结构倒角处,热通量有明显变化。

传热分析是热学分析的基础,有限元分析过程是是一定要掌握的,因为大多数产品都是因为热应力导致的实现,其中的温度变化,正是通过传热分析得到,真实的传热分析还需要进一步考虑流场条件。

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