Cosmos培訓教程:熱分析 (Thermal Analysis)

2013-06-14 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

有三種傳熱機制。這些機制分別是:

傳導

對流

輻射

熱分析計算物體中由于以上部分或全部機制所引起的溫度分布。在所有三種機制中,熱能從具有較高溫度的介質(zhì)流向具有較低溫度的介質(zhì)。傳導和對流傳熱需要有中間介質(zhì),而輻射傳熱則不需要。

熱流量和熱量源可以由恒溫器控制。

傳導是熱能通過物質(zhì)的原子或分子間的相互作用從一點傳送至另一點的傳熱機制。傳導發(fā)生在固體、液體和氣體中。

傳導不涉及物質(zhì)的任何整體運動。氣體通過高能分子間的直接碰撞傳熱,由于氣體是稀釋的介質(zhì),因此氣體的熱導率相對于固體較低。在液體中的能量傳導與在氣體中相同,所不同的是,由于液體分子間的距離更近,分子力場對碰撞過程中的能量交換影響更強,因此情況更加復雜。非金屬固體通過點陣振動傳熱,因此熱在傳播時沒有介質(zhì)的運動。由于金屬具有攜帶熱能的自由電子,因此,與非金屬相比,在常溫下金屬是更好的導體。

傳導傳熱遵循傅立葉定律,其中提出:熱傳導速率 Q傳導與傳熱面積 (A) 和溫度梯度 (dT/dx) 成正比,即:

Q傳導 = - K A (dT/dx)

其中 K 是熱導率,用來度量材料的導熱能力。K 的單位是 W/m.oC 或 (Btu/s)/in.oF。對于如下所示的平面墊片,熱傳導速率通過以下公式計算:

Q傳導= - K A ( T熱 - T冷 )/L

此圖顯示了液體、非金屬固體和純金屬在常溫和常壓下熱導率的范圍值。

熱導率 (K) 的溫度依賴性
對于大多數(shù)材料,K 隨溫度而變化。在氣體中,它在低壓下會隨溫度而上升,但在金屬或液體中,則可能上升或下降。

下表列出了所選材料的熱導率 (W/m.oK) 對溫度 (oK) 的值:

對流 (Convection)
對流是熱量在固體表面和附近移動的流體(或氣體)之間傳送的傳熱模式。對流有兩個要素:

由于隨機分子運動(擴散)所引起的能量傳送,以及

流體的整體或宏觀運動(平流)所引起的能量傳送

對流機制可以解釋為如下: 當較熱表面附近的流體層變得更熱時,其密度會降低(在常壓下,密度與溫度成反比)而變輕。表面附近的較冷(較重)流體將代替較熱流體,循環(huán)模式形成。

溫度為 Tf 的流體和溫度為 Ts 、面積為 A 的固體表面之間的熱交換速率遵循牛頓冷卻定律,可以寫作:

Q對流 = h A (Ts - Tf)

其中 h 是對流傳熱系數(shù)。 h 的單位是 W/m2.K或Btu/s.in2.F。對流傳熱系數(shù) (h) 取決于流體運動、幾何形狀以及熱力學和物理屬性。

一般來說,有兩種模式的對流傳熱:

自然(自由)對流
固體表面附近的流體運動是由浮力造成的,而浮力是由于固體和流體之間的溫差而導致的流體密度變化所引起的。將熱板放在空氣中冷卻時,板表面附近的空氣微粒變得較熱,密度降低,因此會向上移動。

強迫對流
外部方式(如風扇或泵)用來加速流體在固體表面的流動。流體微粒在固體表面的快速運動使溫度梯度最大化,并增加了熱交換速率。

對流傳熱系數(shù)

輻射 (Radiation)
熱輻射是由物體由于其溫度的原因而以電磁波的形式發(fā)出的熱能。溫度在絕對零度以上的任何物體都會發(fā)出熱能。由于電磁波在真空中傳播,因此不需要任何介質(zhì)就可以發(fā)生輻射。下圖顯示了相比較其他方式(X 射線、g 射線、宇宙射線等)所發(fā)出的輻射來說熱輻射的范圍(波長)。

太陽的熱能通過輻射到達地球。由于電磁波以光速傳播,因此輻射是速度最快的傳熱機制。

下一小節(jié)將討論以下主題:

基本輻射定義

Stefan-Boltzmann 定律

真實表面的輻射發(fā)射

表面之間的輻射交換

輻射視角因數(shù)

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