ANSYS培訓教程：熱分析-熱輻射

什么是熱輻射

輻射是一種通過電磁波傳遞能量的方式。電磁波以光速傳播且無需任何介質。熱輻射僅為電磁波譜中的一小段。因為由于熱輻射引起的熱流與物體表面絕對溫度的四次方成正比，因此熱輻射分析是高度非線性的。

分析熱輻射問題

ANSYS提供了三 種方法分析熱輻射問題：

用LINK31，輻射線單元，分析兩個點或多對點之間的熱輻射；

用表面效應單元SURF19或SURF22，分析點對面的熱輻射；

用AUX12，熱輻射矩陣生成器，分析面與面之間的熱輻射

以上三種方法既可用于穩態熱分析，也可用于瞬態熱分析。

熱輻射分析要注意溫度的單位制，因為計算熱輻射使用的溫度單位是絕對溫度。如果在加載時使用的是華氏溫度，就要設置460的差值；如果為攝氏溫度，差值為273。

Command:TOFFST

GUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Analysis Options

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

使用LINK31—輻射線單元

LINK31是一個兩節點非線性線單元，用于計算由輻射引起的兩點之間的熱傳遞。此單元要求輸入如下的實常數：

有效的熱輻射面積；

形狀系數

輻射率

Stefan-Boltzmann 常數

使用表面效應單元

表面效應單元可以方便地分析點與面之間的輻射傳熱。SURF19用于兩維模型，SURF22用于三維模型。單元應設置為包含輻射KEYOPT(9)。

五、使用AUX12—輻射矩陣生成器

此方法用于計算多個輻射面之間的輻射傳熱。這種方法生成輻射面之間形狀系數矩陣，并將此矩陣作為超單元用于熱分析。

AUX12方法由三個步驟組成：

定義輻射面

生成輻射矩陣

在熱分析中使用輻射矩陣

1、定義輻射面

(1)、PREP7中建模、劃分網格。輻射面往往是3D模型中的面或2D模型中的邊，如下圖所示：

(2)、在輻射表面用SHELL57（3D）或LINK32（2D）劃分網格。最好的方法是先選擇輻射表面的節點，然后用如下方法創建SHELL57或LINK32單元：

Command: ESURF

GUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>On Free Surf

注意：輻射面上的SHELL57或LINK32單元與節點必須與實體單元相吻合，否則計算的結果是不正確的。

生成的SHELL57或LINK32單元的取向也很重要。AUX12假定輻射的方向是SHELL57的+Z向或LINK32的+Y向。因此在生成SHELL57或LJNK32單元時要注意節點的排列順序。如圖所示：

（3）、如果所分析的系統是開放的，即一個面所輻射的熱能未被模型中其它的面吸收，則必須定義一個空間節點，用于吸收損失的輻射熱量。這個節點的位置是任意的。對于封閉的系統，不應定義空間節點。

2、生成輻射矩陣

（1）、進入AUX12：

Command: /AUX12

GUI: Main Menu>Radiation Matrix

（2）、選擇組成輻射面的節點和單元。比較方便的方法是根據單元類型選擇單元，并選擇單元上的節點。有關選擇目標的技巧，請參閱《ANSYS Basic Analysis Guide》

（3）、確定模型是3D還是2D：

Command: GEOM

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Other Setting

AUX12用不同的算法計算2D或3D模型的形狀系數。AUX12默認為3D。2D分為純平面或軸對稱，默認為純平面。

（4）定義每個輻射面的輻射率（默認為1）：

Command: EMIS

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Emissivities

（5）、定義Stefan-Boltzmann常數（默認為英制單位0.199E-10Btu/hr-in2-R4）

Command: STEF

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings

（6）、確定用什么方式計算形狀系數：

Command: VTYPE

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Write Matrix

選擇是隱藏還是非隱藏方法：

非隱藏方法計算每兩個單元之間的形狀系數，無論它們之間有無障礙；

隱藏方法（默認）用一種隱藏線算法判斷兩輻射面之間是否“可見”，如果可見則計算形狀系數。

（7）如為開放系統，定義空間節點：

Command: SPACE

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings

（8）計算輻射矩陣并寫入jobename.sub文件：

Command: WRITE

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Write Matrix

如果要打印此矩陣，在執行上述命令之前輸入MPRINT，1。

（9）選擇所有的節點和單元

3、在熱分析中使用輻射矩陣

（1）、重新進入PREP7，定義一個新的單元類型MATRIX50（超單元）；

（2）、將單元類型指向超單元：

Command: TYPE

GUI: Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Elements>Elem Attributes

（3）、讀入超單元矩陣：

Command: SE

GUI: Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Elements>－Superelements-From .SUB File

（4）、不選擇或刪除用于生成輻射矩陣的SHELL57或LINK32單元：

Command: EDELE

GUI: Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Delete>Elements

（5）、進入/SOLUTION施加其它熱載荷并求解。