ANSYS(热辐射_第5节)

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1、5热辐射分析15热辐射分析5.1热辐射分析简介辐射是一种通过电磁波传递能量的方式。电磁波以光速传播且无需任何介质。热辐射仅为电磁波谱中的一小段。因为由于热辐射引起的热流与物体表面绝对温度的四次方成正比，因此热辐射分析是高度非线性的。辐射热传递是通过电磁波传递热能的方法。热辐射的电磁波波长为0.1到100mm。2不象其他热传递方式需要介质，辐射在真空中(如外层空间)效率最高。对于半透明体(如玻璃),辐射是三维实体现象,因为辐射从体中发散出。对于不透明体，辐射主要是平面现象因为几乎所有内部辐射都被实体吸收了。ANSYS可以模拟不透明体间的辐射，所以我们将

2、讨论范围限制在平面辐射现象上。3平面总发射率,ε是平面在所有方向使用所有波长发射热的能力。这是一个无量纲数值。平面在所有方向用所有波长发射的总能量(热流单位)由施蒂芬-波斯曼定律确定:DiffuseSurfaceSpectralSurfaceqq4平面可以理想化为散射或反射装置。散射装置会将辐射均匀反射到所有方向，而不管辐射源的方位:通常情况下，平面可以被理想化为散射或反射面。反射平面会将辐射以近乎镜象的方式反射:没有实际的平面是真正的散射或反射面。比较灰暗的平面接近散射面，高度抛光的平面接近反射面。5为了简化计算，平面的辐射特性可以在所有的波长和方

3、向平均。因此，在散射和反射平面之间没有差别。两平面间的辐射热传递与它们平面绝对温度差的四次方成正比:61.黑体黑体是理想化的平面，用来与实际平面进行比较。黑体的特性:黑体吸收所有的偶然辐射(没有反射),不管波长和方向。黑体为纯粹的发射器。对于给定的波长和温度，没有平面比黑体发射更多的能量。黑体是纯粹的散射发射器;辐射在所有方向均一致。因此，对于黑体:αB=εB=17.灰体实际平面叫做“灰体”因为他们不象黑体。3.ANSYS和辐射ANSYS中关于辐射的重要假设和方法:ANSYS认为辐射是平面现象，因此适合用不透明平面建模。ANSYS不直接计入平面反射率

4、。考虑到效率，假设平面吸收率和发射率相等(a=ε)。因此，只有发射率特性需要在ANSYS辐射分析中定义。ANSYS不自动计入发射率的方向特性，也不允许发射率定义随波长变化。发射率可以在某些单元中定义为温度的函数。8到此为止我们只讨论了单独的辐射平面。但是，在研究实际问题时，我们通常要考虑多个辐射平面的相互作用。要考虑的平面越多，问题越复杂:94.形状因子“形状因子”由相互辐射的两个平面(i和j)定义。它的定义是由于从一个平面(i)发射的辐射能偶然施加到另一个平面(j)上而得到。两个平面的形状因子是面积，方向和距离的函数。Ai、Aj表示表面I与表面J的

5、面积，γ表示面单元dAi与面单元dAj之间的距离，θi表示面单元dAj的法线Nj与两面但与连线的夹角，Ni表示面单元dAi的法线；Nj表示面单元dAj的法线1011角系数Fij具有以下特征：与面距离的平方成反比；与cosθi成正比，在θi=0时表面I辐射出最大的热量。与cosθj成正比，在θj=0时表面I辐射出最大的热量。12若两表面彼此“看不见”（即cosθi=0且cosθj），则彼此的角系数等于0；根据相互作何用原理，从任何平面发射的能量必须守恒，对于任意两表面均有AiFij=AjFji热辐射计算方程：两个表面之间的热辐射计算公式为：13上式中各

6、参量的物理意义如下：Q：表面I的传热率：Stefan-Bolzman常数：有效热辐射率；：表面I的面积；、：表面I与表面J的绝对温度值。、145.2热辐射问题分析ANSYS提供了三种方法分析热辐射问题：（1）用LINK31，辐射线单元，分析两个点或多对点之间的热辐射（2）用表面效应单元SURF19或SURF22，分析点对面的热辐射（3）用AUX12，热辐射矩阵生成器，分析面与面之间的热辐射以上三种方法既可用于稳态热分析，也可用于瞬态传热分析。151.点-点问题模拟两节点或多对节点的热辐射问题时，应使用热辐射线单元LINK31。LINK31作为两节点非

7、线性单元可以计算两点之间因辐射引起的热交换。使用此单元需指明以下常数：有效的辐射表面面积角系数辐射率Stefan-bolzmann常数。162.点-面问题模拟点面之间的热辐射问题，通常采用表面效应单元-SURF151和SURF152。其中SURF151用于2D单元和SURF152用于3D单元。表面效应单元利用实体表面的节点形成单元，并且直接覆盖在实体单元的表面。使用表面效应单元可以更17灵活的在实体表面施加热载荷。例如，热流密度与对流可以施加在同一外表面，但ANSYS在计算过程中仅读取最后施加的面载荷进行计算。为避免ANSYS只读取一种载荷，可以利用

8、实体单元承受热流密度，而表面效应单元承受对流载荷。18SURF151实常数:FORMF(角系数)、SBCON