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MeshFree|传热分析

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10月前浏览291

热传递分析

当物体与周围环境存在温差时热量就会从温度高的地方向温度低的地方传递这就是热传递现象。热传递分析可以分为稳态热传递分析和瞬态热传递分析

时间依存

稳态热传递分析

系统中各点的温度不随时间发生变化只随位置发生变化，这种传热过程叫做稳态热传递

瞬态热传递分析

从发生热传递到系统达到稳定状态，系统中各点的温度随，时间发生变化这个过程称为瞬态热传递

温度依存

非线性热传递

这种类型的分析热流条件或者是材料的参数随着温度发生变化。温度依存材料的传热分析或者辐射传热都属于此类

线性热传递

与非线性热传递分析相反线性热传递的热流条件以及材料参数不随温度发生变化，始终保持为常数。如果分析中的材料参数、导热系数、对流系数以及热流密度都不随温度发生变化，那么就属于线性热传递分析

传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种

热传导

由于物体内存在温度梯度(在物体的边界内)，热量在相邻分子间发生转移这种现象就是热传导。无论是液体、气体或者固体，只要存在温差就会发生热传导。热量从温度高的地方向温度低的地方传递

傅里叶定律

q 是热流密度，表示单位时间内通过物体单位横截面的热量，单位是 [W/m²]

k 导热系数,是材料特性,用来表示材料的导热性能,单位是 [W/mT]

热量总是从温度高的地方向温度低的地方传递,温度梯度总是负的,这是傅里叶定律带(-)的原因。

热对流

固体与外部流体(固体边界)之间的热传现象称为热对流

空气中高温物体慢慢冷却的过程就是热对流。热对流伴随着流体的流动根据流体流动原因的不同分为自然对流和强制对流

强制对流

通过风扇、冷却水等使流体强制流动，这是强制对流；在流体中移动固体也是强制对流。强制对流下考虑非线性热传递分析时，需要进行流体CFD计算，CFD 计算可以考虑流体的流动便于得到更精确的结果

自然对流

与强制对流不同自然对流下流体的流动由纯温差引起

热辐射

即使两个物体之间没有介质的存在，它们也会一电磁波的形式交换能量。

热辐射的表达式为：

σ是玻尔兹曼常数

F 是形状系数

ε 是发射率

α 是吸收率

另外，T是物体温度，Ta是外部空气温度，两个温度指的是绝对温度，单位是开尔文。因为方程中有温度的四次方，所以热辐射是非常复杂的非线性分析

热应力分析技术原理

温度的变化会对材料产生热影响。这些影响大多涉及热应力和热变形

热变形意味着分子和原子的振动随着材料热能的变化而变化。温度升高，热能增加，分子和原子的振动加剧，材料的分子键放松，材料出现膨胀。很明显，当材料的热能减少时，材料就会收缩。

热应力分析可用来检查设计产品的安全性, 比如考虑由不同热源引起的温度变化所造成的热变形和热应力。在热应力分析中, 通过传热分析计算温度分布结果, 并将其转化为结构分析的热荷载，以检查变形形状和应力。因此, 在MeshFree的分析当中, 必须输入热分析条件进行传热分析。此外, 必须输入结构分析所需的边界条件和载荷条件。

物体的体积在受热时膨胀冷却时收缩。但是，如果物体被约束，无法热胀冷缩，则会在物体内产生抵抗这些变形的内力。例如，如果对圆形截面的窄金属杆加热时没有约束，则杆可以自由伸长。

然而，如果杆在两端受限，使其不能纵向伸展，则金属杆会对约束它的物体施加力，而约束金属杆的物体对金属杆则施加相同大小和相反方向的力。这时的金属杆处于受力状态，物体内部会产生抵抗变形的内力。

热应力的大小与热膨胀系数成正比，这是受热物体的力学性质。如果物体自由地膨胀或自由收缩，则不会产生热应力。然而，即使物体不受约束，如果整个物体的温度分布不均匀，温度梯度会也会导致物体内部产生热应力

一个典型的例子是焊接物体的残余应力

热变形

温度升高，物体膨胀。温度降低，物体收缩。这种现象可以用下列的等式表达。等式中

α是热膨胀系数，ΔT是温度变化