《ANSYS Verification Manual》中关于瞬态热分析的实例：

VM104 VM109 VM110 VM111 VM112 VM113 VM114 VM115 VM116

Liquid-solid phase change

Temperature gradient across a solid cylinder Transient temperature distribution in a slab Cooling of a spherical body Cooling of a spherical body

Transient temperature distribution in an orthotropic metal bar Temperature response to a linearly rising surface temperature Thermal response of heat generating slab Heat conducting plate with sudden cooling

第五章 热辐射 一、什么是热辐射

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。 二、分析热辐射问题

ANSYS提供了三 种方法分析热辐射问题： ? ? ?

用LINK31，辐射线单元，分析两个点或多对点之间的热辐射； 用表面效应单元SURF19或SURF22，分析点对面的热辐射； 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，也可用于瞬态热分析。

热辐射分析要注意温度的单位制，因为计算热辐射使用的温度单位是绝对温度。如果在加载时使用

的是华氏温度，就要设置460的差值；如果为摄氏温度，差值为273。

Command:TOFFST

GUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Analysis Options GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

三、使用LINK31—辐射线单元

LINK31是一个两节点非线性线单元，用于计算由辐射引起的两点之间的热传递。此单元要求输入如下的实常数： ? ? ? ?

有效的热辐射面积； 形状系数 辐射率

Stefan-Boltzmann 常数

四、使用表面效应单元

表面效应单元可以方便地分析点与面之间的辐射传热。SURF19用于两维模型，SURF22用于三维模

型。单元应设置为包含辐射KEYOPT(9)。 五、使用AUX12—辐射矩阵生成器

此方法用于计算多个辐射面之间的辐射传热。这种方法生成辐射面之间形状系数矩阵，并将此矩阵

作为超单元用于热分析。 AUX12方法由三个步骤组成： ?

定义辐射面

? ?

生成辐射矩阵

在热分析中使用辐射矩阵

1?￠ 定义辐射面 ￡¨1￡?

在PREP7中建模、划分网格。辐射面往往是3D模型中的面或2D模型中的

边，如下图所示： ￡¨2￡?

在辐射表面用SHELL57（3D）或LINK32（2D）划分网格。最好的方法是先选

择辐射表面的

节点，然后用如下方法创建SHELL57或LINK32单元： Command: ESURF

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

注意：辐射面上的SHELL57或LINK32单元与节点必须与实体单元相吻合，否则计算的结果是不正确的。

生成的SHELL57或LINK32单元的取向也很重要。AUX12假定辐射的方向是SHELL57的+Z向或LINK32的+Y向。因此在生成SHELL57或LJNK32单元时要注意节点的排列顺序。如图所示：

（3）、如果所分析的系统是开放的，即一个面所辐射的热能未被模型中其它的面吸收，则必须定义一个空间节点，用于吸收损失的辐射热量。这个节点的位置是任意的。对于封闭的系统，不应定义 空间节点。 2、生成辐射矩阵 （1）、进入AUX12：

Command: /AUX12

GUI: Main Menu>Radiation Matrix

（2）、选择组成辐射面的节点和单元。比较方便的方法是根据单元类型选择单元，并选择单元上的节点。有关选择目标的技巧，请参阅《ANSYS Basic Analysis Guide》 （3）、确定模型是3D还是2D：

Command: GEOM

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Other Setting

AUX12用不同的算法计算2D或3D模型的形状系数。AUX12默认为3D。2D分为纯平面或轴对称，默 认为纯平面。

（4）定义每个辐射面的辐射率（默认为1）：

Command: EMIS

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Emissivities

（5）、定义Stefan-Boltzmann常数（默认为英制单位0.199E-10Btu/hr-in2-R4）

Command: STEF

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings

（6）、确定用什么方式计算形状系数：

Command: VTYPE

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Write Matrix

选择是隐藏还是非隐藏方法： ? ?

非隐藏方法计算每两个单元之间的形状系数，无论它们之间有无障碍； 隐藏方法（默认）用一种隐藏线算法判断两辐射面之间是否“可见”，如果可见则计算形状系数。

（7）如为开放系统，定义空间节点：

Command: SPACE

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Other Settings

（8）计算辐射矩阵并写入jobename.sub文件：

Command: WRITE

GUI: Main Menu>Radiation Matrix>Write Matrix

如果要打印此矩阵，在执行上述命令之前输入MPRINT，1。 （9）选择所有的节点和单元 3、在热分析中使用辐射矩阵

（1）、重新进入PREP7，定义一个新的单元类型MATRIX50（超单元）； （2）、将单元类型指向超单元：

Command: TYPE

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

（3）、读入超单元矩阵：

Command: SE GUI:

Main

Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Elements>

－

Superelements-From .SUB File

（4）、不选择或删除用于生成辐射矩阵的SHELL57或LINK32单元：

Command: EDELE

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

（5）、进入/SOLUTION施加其它热载荷并求解。

目 录

第一章 简介……………………………………………………………………….1

一、热分析的目的…………………………………………………………1 二、ANSYS的热分析………………………………………………………1

三、ANSYS热分析分类……………………………………………………1

四、 耦合分析…………………………………………………………….1

第二章 基础知识…………………………………………………………………2

一、 符号与单位………………………………………………………….2 二、 传热学经典理论回顾………………………………………………2 三、 热传递的方式………………………………………………………3

四、 稳态传热……………………………………………………………3 五、 瞬态传热……………………………………………………………4 六、 线性与非线性………………………………………………………4 七、 边界条件、初始条件…………………………………………………4 八、 热分析误差估计……………………………………………………4

第三章 稳态传热分析……………………………………………………………5

一、 稳态传热的定义……………………………………………………5 二、 热分析的单元………………………………………………………5 三、 ANSYS稳态热分析的基本过程……………………………………5

实例1………………………………………………………………………9 实例2………………………………………………………………………12 第四章 瞬态传热分析…………………………………………………………20

一、 瞬态传热分析的定义………………………………………………20 二、 瞬态热分析的单元及命令…………………………………………20 三、 ANSYS瞬态热分析的主要步骤……………………………………20

四、 建模…………………………………………………………………20 五、 加载求解……………………………………………………………21 六、 后处理………………………………………………………………23 七、 相变问题…………………………………………………………..23

实例1……………………………………………………………………24 实例2…………………………………………………………………….25