热辐射分析教程

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1、热辐射分析教程热辐射分析6.1热辐射的定义热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。由丁-辐射产牛:的热流与物体农而的绝对温度的四次方成止比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。物体表而的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律：式中：—物体表而的绝对温度；—Stefan-Boltzmann常数，英制为0.119X10-10BTU/hr-in-R,公制为5.67X10-86.2基木概念下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义：黑体黑体被定义

2、为在任意温度下，吸收并发射最人的辐射能的物体；通常的物体为一灰体II,即£<1;在某些情况下，辐射率（黑度）随温度变化；辐射率（黑度）物体表面的辐射率（黑度）定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。式中：一辎射率（黑度）—物体表面辐射热量—黑体在同一表面辐射热量形状系数形状系数用于计算两个而Z间的辐射热交换，在ANSYS屮，可以用隐藏/非隐藏的方法计算2维和三维问题，或者用半立方的方法来计算3维问题。表而I与表而JZ间的形状系数为:形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距离的函数；由于能量守恒，所以：根据相互原理：由辐射矩阵

3、计算的形状系数为：式中：一单元法向与单元I,J连线的角度—单•元I,J重心的距离有限单元模型的表面被处理为单元面枳dAI及dAJ,然后进行数字积分。辐射对在辐射问题中，辐射对由一些相互Z间存在辐射的面组成，町以是开放的或是闭合的。在ANSYS屮，对以定义多个辐射对，它们相互之间也可以存在辐射ANSYS使用辐射对來计算一个辐射对屮各面间的形状系数；每一个开放的辐射对•都可以定义白己的环境温度，或是向周围环境辐射的空间节点。Radios!ty求解器当所冇面上的温度已知时，Radiosity求解器方法通过计算每一个面上的辐射热流来得到辐射体之间

4、的热交换。而而上的热流为接下来的热传导分析捉供了有限元模型的边界条件。重复上而的过程，就会由于新的时间步或者新的迭代循坏会得到新的热流边界条件，从而计算出新的温度分布。在计算中使用的每个表面的温度必须是均匀的，这样才能满足辐射模型的条件。6.3分析热辐射问题针对不同的情况ANSYS为热辐射分析提供了四种方法。热辐射线单元（LINK31）,模拟两节点间（或多对节点）间辐射；表面效应单元（SURF151及SURF152）,模拟点对面（线）的辐射；利用AUX12生成辐射矩阵，模拟史一般的面与面（或线与线）的辐射（只有ANSYS/Multiphy

5、sicsANSYS/Mechanical和ANSYS/Professional这些产品捉供辐射矩阵生成器）;Radiosity求解器方法，求解二维、三维而与而Z间的热辐射，该方法对所有含温度自由度的二维和三维单元都适用。（只有ANSYS/Multiphysics,ANSYS/Mechanical和ANSYS/Professional这些产品提供Radiosity求解器）可以将上面四种辐射方法屮的任何一•种丿IJ于稳态或瞬态热分析中。辐射是一种非线性现象，因此需要进行平衡迭代来得到收敛解。6.4节点间的热辐射非线性线单元LINK31用丁•计

6、算两节点间或多对节点间的简单辐射热传递，节点的位置是任意的，可作为其它单元的节点。LINK31需要定义如下数据：材料属性：EMIS辐射率(可以随温度变化)实常数：AREA(Ai)(有效辐射面积)EORME(Fij)(形状系数)SBCONST(Stefan-Boltzman常数)有关IJNK31的使用实例，请参考《ANSYS校验手册》：VM106RadiantenergyemissionVM107Thermocoupleradiation6.5点与面间的热辐射应用表面效应单元可以方便地计算点与面间的辐射，包扌舌2D的SURF151及3D的S

7、URF152单元：首先在实体单元的辐射表面覆盖一层表面效应单元；单元关键选项KEYOPT(9)激活这些单元的热辐射分析功能；如果设置KEYOPT(9)=1(缺省值)，则可在单元实常数中定义形状系数；如果设置KEYOPT(9)=2或3,则程序基于单元表而的法向与附加节点的位置关系、考虑余弦效应，计算形状系数。使用表而单元进行热辐射分析的实例，请参考《ANSYS校验手册》:VM192Coolingofabilletbyradiation6.6AUX12—辐射矩阵生成器只有ANSYS/Multiphvsics,ANSYS/Mechanical,

8、ANSYS/Thormal等产品提供AUX12,用于计算多个辐射而Z间的辐射热传递。AUX12生成辐射而间的形状系数矩阵，并将此矩阵作为超单元川于热分析。分析模型可包含隐藏面或部分隐藏面，以及