1、8-1輻射熱傳遞輻射熱傳遞8-2輻射特性輻射特性輻射理論輻射理論ANSYS 求解方法求解方法 ANSYS 輻射建模方法輻射建模方法 平面效果單元平面效果單元 連接單元連接單元 輻射矩陣功能輻射矩陣功能使用輻射矩陣的例子使用輻射矩陣的例子 - 熱沉的熱分析熱沉的熱分析 隱式求解方法隱式求解方法 非隱式求解方法非隱式求解方法8-3輻射熱傳遞是通過輻射熱傳遞是通過電磁波電磁波傳遞熱能的方法。熱輻射的電磁波波長為傳遞熱能的方法。熱輻射的電磁波波長為0.1 到到 100 m mm。這包括超微波，所有可以用肉眼看到的波長，和長這包括超微波，所有可以用肉眼看到的波長，和長波。波。不象其他熱傳遞方式需要介質(zhì)，

2、輻射在不象其他熱傳遞方式需要介質(zhì)，輻射在真空真空中中(如外層空間如外層空間)效率最高效率最高。對于半透明體對于半透明體(如玻璃如玻璃), 輻射是輻射是三維實(shí)體三維實(shí)體現(xiàn)象因?yàn)檩椛鋸捏w中發(fā)散出。現(xiàn)象因?yàn)檩椛鋸捏w中發(fā)散出。對于不透明體，輻射主要是對于不透明體，輻射主要是平面平面現(xiàn)象因?yàn)閹缀跛袃?nèi)部輻射都被實(shí)體現(xiàn)象因?yàn)閹缀跛袃?nèi)部輻射都被實(shí)體吸收了。吸收了。8-4ANSYS 可以模擬可以模擬不透明體不透明體間的輻射，所以我們將討論范圍限制在平面輻射現(xiàn)象間的輻射，所以我們將討論范圍限制在平面輻射現(xiàn)象上。上。兩平面間的輻射熱傳遞與它們平面兩平面間的輻射熱傳遞與它們平面絕對絕對溫度差的四次方成正比溫度差的

3、四次方成正比:因此，輻射分析是非線性的，需要迭代求解。因此，輻射分析是非線性的，需要迭代求解。)(44jijiTTQ8-5平面平面輻射輻射熱到其他平面并從其他平面熱到其他平面并從其他平面吸收吸收熱。當(dāng)我們做輻射分析時，我們考慮的是熱。當(dāng)我們做輻射分析時，我們考慮的是輻射和吸收之間的凈效果。輻射和吸收之間的凈效果。平面對不同波長都會輻射和吸收，而且隨方向而改變。這些特性也隨溫度變化。平面對不同波長都會輻射和吸收，而且隨方向而改變。這些特性也隨溫度變化。WavelengthDirection DistributionEmissive Power8-6平面可以理想化為散射或反射裝置。散射裝置會將輻射

4、均勻反射到所有方向，而不管平面可以理想化為散射或反射裝置。散射裝置會將輻射均勻反射到所有方向，而不管輻射源的方位輻射源的方位:反射平面會將輻射以近乎鏡象的方式反射反射平面會將輻射以近乎鏡象的方式反射:Diffuse SurfaceSpectral Surfaceqq8-7通常情況下，平面可以被理想化為散射或反射面。通常情況下，平面可以被理想化為散射或反射面。沒有實(shí)際的平面是真正的散射或反射面。比較灰暗的平面接近散射面，高度拋光沒有實(shí)際的平面是真正的散射或反射面。比較灰暗的平面接近散射面，高度拋光的平面接近反射面。的平面接近反射面。為了簡化計算，平面的輻射特性可以在所有的波長和方向平均。只有這些

5、平均特為了簡化計算，平面的輻射特性可以在所有的波長和方向平均。只有這些平均特性在后面的討論中使用。因此，在散射和反射平面之間沒有差別。性在后面的討論中使用。因此，在散射和反射平面之間沒有差別。8-8對于承受一定對于承受一定輻射輻射的不透明介質(zhì)的不透明介質(zhì), G , 一部分輻射能會從平面一部分輻射能會從平面反射反射，一部分，一部分會被介質(zhì)會被介質(zhì)吸收吸收: G 輻射輻射Gref 反射的能量反射的能量Gabs 吸收的能量吸收的能量平面總吸收率平面總吸收率, a a, 與之吸收偶然輻射的趨勢有關(guān)。與之吸收偶然輻射的趨勢有關(guān)。平面總反射率平面總反射率, r r, 與之反射偶然輻射的趨勢有關(guān)。與之反射偶

6、然輻射的趨勢有關(guān)。1:requiresenergy ofon conservatira8-9同樣，平面總發(fā)射率同樣，平面總發(fā)射率, e e, 是平面在所有方向使用所有波長發(fā)射熱的能力。這是平面在所有方向使用所有波長發(fā)射熱的能力。這是一個無量綱數(shù)值。是一個無量綱數(shù)值。平面在所有方向用所有波長發(fā)射的總能量平面在所有方向用所有波長發(fā)射的總能量 (熱流單位熱流單位) 由施蒂芬由施蒂芬-波斯曼定律波斯曼定律確定確定:surface of re temperatuabsoluteconstantBoltzmann -Stefansurface of emissivity calhemispheri tot

7、al,surface of areapower emissive total:4TAEWhereTAqEee注: 絕對溫度用Rankine溫度表示 (R)，它比 華氏溫度F 偏移 460。在 SI 單位制中，絕對溫度以Kelvin (K)溫度表示 , 它比攝氏溫度C偏移273。偏移溫度可以使用TOFFST 命令指定。8-10總輻射率總輻射率, J, 是熱流單位，表示平面發(fā)射和反射的能量總和是熱流單位，表示平面發(fā)射和反射的能量總和 (如如, 離開平面的離開平面的總能量總能量):由于由于ANSYS不直接計算平面反射率，不直接計算平面反射率， 輻射率和發(fā)射率假設(shè)為相等輻射率和發(fā)射率假設(shè)為相等 (E=

8、J)。G Incident radiationGref EnergyreflectedGe EmissivePowerJRadiosity8-11黑體黑體 是理想化的平面，用來與實(shí)際平面進(jìn)行比較。是理想化的平面，用來與實(shí)際平面進(jìn)行比較。這里列出了黑體的特性這里列出了黑體的特性: 黑體吸收所有的偶然輻射黑體吸收所有的偶然輻射 (沒有反射沒有反射), 不管波長和方向。不管波長和方向。 黑體為純粹的發(fā)射器。對于給定的波長和溫度，沒有平面比黑體發(fā)黑體為純粹的發(fā)射器。對于給定的波長和溫度，沒有平面比黑體發(fā)射更多的能量。射更多的能量。 黑體是純粹的散射發(fā)射器黑體是純粹的散射發(fā)射器; 輻射在所有方向均一致。

9、輻射在所有方向均一致。 因此，對于黑體因此，對于黑體: aB = eB = 1.8-12實(shí)際平面叫做實(shí)際平面叫做 灰體灰體 因?yàn)樗麄儾幌蠛隗w。因?yàn)樗麄儾幌蠛隗w。灰體在溫度灰體在溫度T的總發(fā)射率如下的總發(fā)射率如下:因此，對于灰體因此，對于灰體, ( (e 1)e Radiation Matrix選擇組成輻射面的所有結(jié)點(diǎn)和單元選擇組成輻射面的所有結(jié)點(diǎn)和單元包括空間結(jié)點(diǎn)包括空間結(jié)點(diǎn) (如果定義的話如果定義的話)。8-36步驟步驟 2: 生成輻射矩陣生成輻射矩陣 (續(xù)續(xù))1. 定義輻射面的發(fā)射率。缺省數(shù)值為定義輻射面的發(fā)射率。缺省數(shù)值為。8-372. 指定施蒂芬指定施蒂芬-波斯曼常數(shù)，與熱分析中的單位

10、統(tǒng)一波斯曼常數(shù)，與熱分析中的單位統(tǒng)一 (缺省為缺省為 0.119e-10 BTU/hr-in-R4)。3. 指定分析為指定分析為2D, 3D 軸對稱軸對稱 或或3D (缺省為缺省為 3D)。4. 指定空間結(jié)點(diǎn)用于沒有被其他面吸收的輻射能量。指定空間結(jié)點(diǎn)用于沒有被其他面吸收的輻射能量。8-385. 指定觀察過程使用指定觀察過程使用HIDDEN 或或NON-HIDDEN 方法方法 (缺省為缺省為HIDDEN)。 HIDDEN 方法用于任何輻射面阻攔在其他平面的觀察線上時。方法用于任何輻射面阻攔在其他平面的觀察線上時。 NON-HIDDEN 方法用于所有平面都是可以相互觀察的情況下。方法用于所有平面

11、都是可以相互觀察的情況下。6. 設(shè)置設(shè)置HIDDEN 方法射線數(shù)目。增加射線數(shù)目將增加形狀因子的計算精度方法射線數(shù)目。增加射線數(shù)目將增加形狀因子的計算精度 (缺省為缺省為20)。8-397. 打開打印鍵打開打印鍵 (如果需要的話如果需要的話) 檢查形狀參數(shù)輸出。檢查形狀參數(shù)輸出。8. 將輻射矩陣寫到將輻射矩陣寫到filename.sub 中在熱分析過程中用做中在熱分析過程中用做MATRIX50 超單超單元。元。8-409. 重新選擇熱模型中其他所有單元和結(jié)點(diǎn)。重新選擇熱模型中其他所有單元和結(jié)點(diǎn)。10. 輻射矩陣可以作為超單元用在熱分析中了。輻射矩陣可以作為超單元用在熱分析中了。8-41步驟步驟

12、 3: 使用輻射矩陣使用輻射矩陣1. 重新進(jìn)入前處理器。重新進(jìn)入前處理器。2. 定義新的單元類型定義新的單元類型MATRIX50。改變關(guān)鍵選項(xiàng)改變關(guān)鍵選項(xiàng)K1 為輻射子結(jié)構(gòu)。為輻射子結(jié)構(gòu)。28-42步驟步驟 3: 使用輻射矩陣使用輻射矩陣 (續(xù)續(xù))3. 劃分網(wǎng)格時選擇超單元作為當(dāng)前單元類型。劃分網(wǎng)格時選擇超單元作為當(dāng)前單元類型。 (定義屬性定義屬性)。4. 定義超單元，指定文件名為寫出的輻射矩陣單元。定義超單元，指定文件名為寫出的輻射矩陣單元。5. 刪除或不選輻射面上的覆蓋單元。刪除或不選輻射面上的覆蓋單元。6. 定義與絕對溫度的偏移量。定義與絕對溫度的偏移量。7. 進(jìn)入求解器并在空間結(jié)點(diǎn)上定

13、義熱邊界條件，開始計算。進(jìn)入求解器并在空間結(jié)點(diǎn)上定義熱邊界條件，開始計算。8-43問題描述問題描述:情況情況1 - 鋁合金熱沉底座鋁合金熱沉底座 (1/2 對稱模型對稱模型) 承受熱流載荷。葉片通過與空氣承受熱流載荷。葉片通過與空氣的對流冷卻。的對流冷卻。情況情況2 - 在情況在情況1上添加輻射效果，使用上添加輻射效果，使用hidden方法生成的輻射矩陣方法生成的輻射矩陣。情況情況3 - 在情況在情況1上添加輻射效果，使用上添加輻射效果，使用non-hidden 方法生成的輻射矩方法生成的輻射矩陣。陣。ANSYS 情況情況2和情況和情況3 的輸?shù)妮斎胛募胛募?見附錄見附錄B8-44 模型尺寸

14、模型尺寸:8-45指南指南:熱沉材料為鋁合金，熱沉材料為鋁合金，KXX = 8.5 BTU/hr-in-F。使用使用 BIN 單位進(jìn)行分析。單位進(jìn)行分析。所有葉片的對流面其所有葉片的對流面其 h為常數(shù)。為常數(shù)。使用帶有附加結(jié)點(diǎn)的使用帶有附加結(jié)點(diǎn)的SURF151 單元施加對流。單元施加對流。熱沉端面是絕熱的。熱沉端面是絕熱的。Note: Not all menus and 步驟s are detailed in the following pages.AdiabaticAdiabaticHeat Flux on Base Surface8-46熱載荷熱載荷:熱流入底座熱流入底座= 17 BTU/

15、hr-in2。熱沉頂端空氣溫度為熱沉頂端空氣溫度為 90 F。葉片面上的換熱系數(shù)為葉片面上的換熱系數(shù)為0.01 BTU/hr-in2-F。沒有載荷的平面是絕熱的。沒有載荷的平面是絕熱的。附加假設(shè)附加假設(shè):這是開放系統(tǒng)，因此沒有被葉片平面吸收的輻射將進(jìn)入空間結(jié)點(diǎn)。這是開放系統(tǒng)，因此沒有被葉片平面吸收的輻射將進(jìn)入空間結(jié)點(diǎn)。輻射只在葉片平面存在輻射只在葉片平面存在 (非絕熱平面非絕熱平面)。8-47基本過程基本過程 情況情況 1- 熱沉熱分析熱沉熱分析 (無輻射無輻射)。定義數(shù)值參數(shù)如下定義數(shù)值參數(shù)如下:base = .150hgt = 1.0ttop = 0.05tbot = .150fspc =

16、 .4手工定義手工定義8個關(guān)鍵點(diǎn)和個關(guān)鍵點(diǎn)和3個面。個面。鏡象生成需要的模型。鏡象生成需要的模型。使用使用quad PLANE55單元劃分網(wǎng)格。單元劃分網(wǎng)格。使用帶有附加結(jié)點(diǎn)的使用帶有附加結(jié)點(diǎn)的SURF151 單元劃分葉片外表面。單元劃分葉片外表面。施加熱流，對流和溫度載荷。施加熱流，對流和溫度載荷。運(yùn)行初始運(yùn)算，不帶輻射效果。運(yùn)行初始運(yùn)算，不帶輻射效果。Note: Use of scalar parameters is not required. It is demonstratedonly as one of many possible methods of generating geom

17、etry8-48定義單元類型定義單元類型 PLANE55 和和SURF151, 設(shè)置關(guān)鍵選項(xiàng)。設(shè)置關(guān)鍵選項(xiàng)。8-49定義材料特性定義材料特性; 只需要只需要KXX。8-50定義參數(shù)用于生成關(guān)鍵點(diǎn)。定義參數(shù)用于生成關(guān)鍵點(diǎn)。8-51畫關(guān)鍵點(diǎn)。畫關(guān)鍵點(diǎn)。8個關(guān)鍵點(diǎn)可以用于生成個關(guān)鍵點(diǎn)可以用于生成3個面?zhèn)€面 。8-52用關(guān)鍵點(diǎn)生成的面。用關(guān)鍵點(diǎn)生成的面。8-53第一次鏡象形成的圖形。第一次鏡象形成的圖形。8-54多次鏡象形成的最終模型。帶有顏色和號碼的繪制如下。多次鏡象形成的最終模型。帶有顏色和號碼的繪制如下。8-55單元圖單元圖: PLANE55 quad 單元。單元。注: 使用全局單元大小為0.0

18、45 英寸。8-56平面效果單元劃分的線，要施加對流載荷。平面效果單元劃分的線，要施加對流載荷。8-57將線上的結(jié)點(diǎn)分離以生將線上的結(jié)點(diǎn)分離以生成平面效果單元。成平面效果單元。使用使用*get命令得到模型命令得到模型中最大結(jié)點(diǎn)號，指定名中最大結(jié)點(diǎn)號，指定名字為字為 “nn” 。生成生成 “附加結(jié)點(diǎn)附加結(jié)點(diǎn)”; 指指定結(jié)點(diǎn)號定結(jié)點(diǎn)號 “nn+1”。8-58指定缺省屬性為類型指定缺省屬性為類型2, SURF151并生成帶有附加結(jié)點(diǎn)的單元。并生成帶有附加結(jié)點(diǎn)的單元。8-59繪制帶有附加結(jié)點(diǎn)的繪制帶有附加結(jié)點(diǎn)的 SURF151 單元。單元。8-60繪制施加的載荷和邊界條件繪制施加的載荷和邊界條件: 對

19、流和附加結(jié)點(diǎn)上的溫度。對流和附加結(jié)點(diǎn)上的溫度。8-61繪制施加的載荷和邊界條件繪制施加的載荷和邊界條件: 熱流。熱流。8-62求解當(dāng)前步。本求解只包括熱流和對流載荷，輻射在后面施加。求解當(dāng)前步。本求解只包括熱流和對流載荷，輻射在后面施加。8-63檢查結(jié)果。檢查結(jié)果。 列出響應(yīng)解。與輸入的熱比較。列出響應(yīng)解。與輸入的熱比較。8-64與輸入的熱比較與輸入的熱比較 17 BTU/hr-in2 * 2.2 in2 = 37.4 BTU/hr8-65繪制熱沉的溫度場分布。繪制熱沉的溫度場分布。8-66基本過程基本過程 情況情況 2- 包括輻射效果包括輻射效果; 輻射矩陣輻射矩陣-Hidden 方法。方法

20、。進(jìn)入前處理器。進(jìn)入前處理器。定義新單元類型定義新單元類型, LINK32。在輻射面上分離結(jié)點(diǎn)。在輻射面上分離結(jié)點(diǎn)。生成生成 LINK32單元，檢查方向。單元，檢查方向。定義空間結(jié)點(diǎn)。定義空間結(jié)點(diǎn)。使用輻射矩陣單元生成輻射矩陣，使用輻射矩陣單元生成輻射矩陣，radheat.sub.重新進(jìn)入前處理器。重新進(jìn)入前處理器。定義新單元類型定義新單元類型, MATRIX50。讀入矩陣文件讀入矩陣文件radheat.sub生成輻射單元。生成輻射單元。在空間結(jié)點(diǎn)施加溫度。在空間結(jié)點(diǎn)施加溫度。重新計算。重新計算。注:不是所有菜單和步驟在后面詳細(xì)說明。8-67重新進(jìn)入前處理器。定義單元類型重新進(jìn)入前處理器。定義

21、單元類型3, LINK32。劃分網(wǎng)格之前，設(shè)置屬性為劃分網(wǎng)格之前，設(shè)置屬性為TYPE=3。8-68將輻射面上的結(jié)將輻射面上的結(jié)點(diǎn)分離以生成覆點(diǎn)分離以生成覆蓋的蓋的LINK32 單元單元。生成生成LINK32 單元單元使用使用 ESURF 命命令。令。生成空間結(jié)點(diǎn)，生成空間結(jié)點(diǎn)，指定結(jié)點(diǎn)號為指定結(jié)點(diǎn)號為 “nn+2”。注: 我們將平面效果單元的附加結(jié)點(diǎn)用做空間結(jié)點(diǎn)。使用兩個結(jié)點(diǎn)我們可以分離各效果并更容易的分析對流和輻射的分布。8-69檢查覆蓋網(wǎng)格的方向檢查覆蓋網(wǎng)格的方向打開單元坐標(biāo)系繪制檢查單打開單元坐標(biāo)系繪制檢查單元法線方向。元法線方向。單元法線方向很重要因?yàn)樗鼏卧ň€方向很重要因?yàn)樗x了輻

22、射的方向定義了輻射的方向 (觀察方向觀察方向)。8-70打開單元坐標(biāo)系符號繪制打開單元坐標(biāo)系符號繪制 LINK32 單元。單元。8-71開始輻射矩陣定義。開始輻射矩陣定義。首先首先, 定義發(fā)射率定義發(fā)射率.8-72定義定義 “其他設(shè)置其他設(shè)置” 施蒂芬施蒂芬-波斯曼常數(shù)波斯曼常數(shù); 與分析的單位一致。與分析的單位一致。 幾何模型類型幾何模型類型; 本題為本題為2D。 指定空間結(jié)點(diǎn)的號碼。指定空間結(jié)點(diǎn)的號碼。8-73寫出輻射矩陣。寫出輻射矩陣。 選擇選擇Hidden方法求解本問題。方法求解本問題。 指定指定 sampling zones數(shù)目數(shù)目 (缺省為缺省為 20)。 指定生成的輻射矩陣文件名

23、。指定生成的輻射矩陣文件名。8-74重新進(jìn)入前處理器。重新進(jìn)入前處理器。 定義超單元定義超單元, MATRIX50 并設(shè)置關(guān)鍵選項(xiàng)。并設(shè)置關(guān)鍵選項(xiàng)。8-75設(shè)置單元屬性為設(shè)置單元屬性為 TYPE= 4讀入超單元矩陣文件生成輻射單元。指定使用的文件名。讀入超單元矩陣文件生成輻射單元。指定使用的文件名。8-76求解前刪除或不選求解前刪除或不選 LINK32 單元單元。進(jìn)入求解器。進(jìn)入求解器。設(shè)置分析選項(xiàng)。設(shè)置分析選項(xiàng)。 指定指定 TOFFST合適數(shù)值合適數(shù)值, 本例為本例為460 。在空間結(jié)點(diǎn)上施加溫度約束在空間結(jié)點(diǎn)上施加溫度約束90 F。8-77重新進(jìn)入求解器。重新進(jìn)入求解器。 現(xiàn)在包括了輻射效

24、果，分析為非線性的。現(xiàn)在包括了輻射效果，分析為非線性的。8-78進(jìn)入后處理器查看結(jié)果進(jìn)入后處理器查看結(jié)果。 注意輻射的貢獻(xiàn)和對流的貢獻(xiàn)注意輻射的貢獻(xiàn)和對流的貢獻(xiàn): 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)813 (nn+1) SURF151單元的單元的 “附加結(jié)點(diǎn)附加結(jié)點(diǎn)” 有對流載荷。有對流載荷。 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)814 (nn+2) 空間結(jié)點(diǎn)用于輻射求解。空間結(jié)點(diǎn)用于輻射求解。8-79包含輻射的熱沉溫度場分布。包含輻射的熱沉溫度場分布。8-80基本步驟基本步驟 情況情況 3- 包括輻射效果包括輻射效果 - Non-Hidden 方法。方法。讀入數(shù)據(jù)庫讀入數(shù)據(jù)庫 heatsink.db。 (注注: 使用使用HIDDEN方法生成輻射矩陣的相同網(wǎng)方法生成輻射矩陣的相同網(wǎng)格可以在格可以在Non-Hidden 方法中使用。方法中使用。)選擇組成選擇組成 “bay 1” 的線和線上的結(jié)點(diǎn)。同時選擇空間結(jié)點(diǎn)。的線和線上的結(jié)點(diǎn)。同時選擇空間結(jié)點(diǎn)。進(jìn)入輻射矩陣單元并指定發(fā)射率，施蒂芬進(jìn)入輻射矩陣單元并指定發(fā)射率，施蒂