ANSYS热分析指南(第五章).docx

个人精品文档，值得您的拥有ANSYS热分析指南 ( 第五章 )第五章 表面效应单元5.1 简介表面效应单元类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面它利用实体表面的节点形成单元因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单元数量ANSYS 5.7中热分析专用表面效应单元为 SURF151(2-D)以及 SRUF152(3-D)有关单元的详细描述请参阅《 ANSYS Element Reference 》5.2 表面效应单元在热分析中的应用利用表面效应单元可更加灵活地定义表面热载荷：当热流密度和热对流边界条件同时施加于同一表面时， 必须将其中一个施加于实体单元表面， 另一个施加在表面效应单元 建议将热对流边界施加于表面效应单元可将热对流边界条件中的流体温度施加于孤立节点上， 将对流系数施加于表面单元，这样，可更灵活地控制对流载荷当对流系数随温度变化时，表面效应单元可提供设置计算对流系数的选项表面效应单元还可以用于模拟点与面的辐射传热5.3 表面效应单元的有关热分析设置选项SURF151是单元可用于多种载荷和表面效应的应用可以覆盖在任何二维热实体单元的表面 ( 除轴对称谐波单元 PLANE75和 PLANE78外 ) 。

该单元可用于二维热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在 SURF151单元有 2 到 4 个节点，如考虑对流传热和辐射的影响需要定义一个外部节点 传热量和热对流量以表面载荷的形式施加在单元上详细单元说明请参见《 ANSYS Theory Reference 》SURF152是三维热表面效应单元，可用于多种载荷和表面效应的应用它可以覆盖在任何三维热单元的表面， 该单元可用于三维热分析 该单元中多种载荷和表面效应可以同时存在详细单元说明请参见《 ANSYS Theory Reference 》选定单元：命令： ETGUI： Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options分析设置选项：1 / 22个人精品文档，值得您的拥有中间节点：Include ： keyopt(4)=0Exclude ：keyopt(4)=1如果实体单元为带中间节点的单元，如 Solid90 ，则设为 Include ，否则为 Exclude 是否有孤立节点：Exclude ： Keyopt(5)=0Include ：Keyopt(5)=1如果在表面效应单元上施加热流密度，则为 Exclude ；如果在表面效应单元上施加热对流，则可为 Exclude ，也可为 Include 。

如果有孤立节点，则对流系数施加在表面效应单元上， 流体温度施加在孤立节点上 如果无孤立节点， 则对流系数和流体温度都施加在表面效应单元上热流密度或对流边界条件：忽略热流密度和对流边界条件： Keyopt(8)=0施加热流密度，忽略对流： Keyopt(8)=1根据平均温度（壁面与流体） (TS＋TB)/2 ，计算对流系数： Keyopt(8)=2根据固体表面温度 TS，计算对流系数： Keyopt(8)=3根据流体温度 TB，计算对流系数： Keyopt(8)=4根据固体表面与流体温差｜ TB-TS｜，计算对流系数： Keyopt(8)=5是否考虑辐射，选择 Exclude radiation ：Keyopt(9)=设置单元行为：Plane ：Keyopt(8)=4Axisymmetric ：Keyopt(8)=4Plane with thickness ：Keyopt(8)=42 / 22个人精品文档，值得您的拥有图 5-1 面效应单元的选项设置5.4 表面效应单元的实常数使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义实常数面内厚度在表面效应单元的每个角节点默认为 1只有当生热载荷施加于表面效应单元时，厚度才有作用，因为生热基于单元体积。

其它实常数，在辐射热分析或结构分析时设置5.5 表面效应单元的材料属性使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义材料属性，但有一例外：对流系数随温度变化时，最好单独设定一材料编号，定义材料的对流系数随温度变化的表在表面单元上施加对流边界时输入负号及材料编号例如“ - 3”其它材料属性在辐射或结构分析时设置5.6 创建无孤立节点的表面效应单元划分实体网格设定表面效应单元的属性GUI：Main>Menu>Preprocessor>Meshing Attributes>Default Attribs3 / 22个人精品文档，值得您的拥有一般无需设定表面效应单元的材料编号，但为了选择、加载及后处理方便，最好为每组表面单元设置一个唯一的材料编号生成表面单元第一种方法：直接在相应的线或面上生成网格：GUI：Main>Menu>Preprocessor> Meshing>Mesh Lines/Area第二种方法：选择要生成表面效应单元的边（ 2D）或面（ 3D）及所属节点；设定表面效应单元的属性（ TYPE，MAT等）；创建表面效应单元；GUI：Main>Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Element> Surf Effect5.7 创建带孤立节点的表面效应单元如果在表面效应单元选项设置时，带孤立节点， Keyopt(5)=1 ，则：创建孤立节点GUI：Main>Menu>Preprocessor>modeling>create>nodes选择要创建表面效应单元的面或线，以及所属节点；设定单元属性；创建表面效应单元：GUI：Main>Menu>Preprocessor>modeling>create> Element>on free SURF ，输入关键点编号， OK5.8 管流单元热分析在 ANSYS中有三个用于管流热分析的单元：FLUID116热管流单元SURF1512-D热表面单元SURF1523-D热表面单元4 / 22个人精品文档，值得您的拥有其中 FLUID116单元求解一维带泵送效应的泊努利方程和一维带质量传递的热传递，可与 SURF151或 SURF152连接模拟对流效应。

它的压力、流率、温度、角速度、滑移系数可以表格化参数方式输入主要的单元属性有流体导热系数、流体密度、流体比热、流体粘度、流体流率等而表面效应单元的额外节点在 FLUID116单元上，这样用管流单元 FLUID116 上的节点温度作为对流中的流体温度， 将对流系数赋予表面效应单元上， 模拟流体与管壁的耦合传热LFSUR, Sline , Tline对组元 Sline 中包含的线划分表面效应单元， 并连接表面效应单元和距离最近的管流单元这些管流单元已经划分网格，并定义为组元 Tline AFSUR, Sarea, Tline对组元 Sarea 中包含的面划分表面效应单元， 并连接表面效应单元和距离最近的管流单元这些管流单元同样已经划分网格，并定义为组元 Tline 可用如下命令控制显示表面效应单元的额外节点：命令： /PSYMB, XNODE, 1GUI：Utility Menu>PlotCtrls>Symbols5.9 表面效应单元的实例 1－冷却栅的热分析5.9.1 问题描述分析冷却栅的温度分布及与空气的热传递速率 冷却栅的横截面如下图所示，单位为英寸材料为铝，导热系数为 8.5 BTU/hr.in °F。

冷却栅底部流入的热流密度为 17BTU/hr.sq.in 空气的温度为 90 °F，自然对流5.9.2 菜单操作过程5.9.2.1 设置分析标题5 / 22个人精品文档，值得您的拥有1、选择“ Utility Menu>File>Change Title ”，输入 HEATSINK12、选择“ Utility Menu>File>Change title ”，输入 Heat convection using SURF151 ignoring radiation 5.9.2.2 定义参数变量1、选择“ Utility Menu>Parameters>scalar paramaters ”，输入：base=.15hgt=1.0ttop=0.05tbot=0.15fspc=0.4dt=301.5-90! 假设表面平均温度与空气的温差dt=dt*5/9! 转换为摄氏度len=(hgt-base)/39.37hvert1=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144! 竖直边对流系数（经验公式）len=base/39.37hvert2=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144len=(fspc-tbot)/39.37hhorz1=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144! 水平边对流系数（经验公式）len=ttop/39.37hhorz2=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/1445.9.2.3 定义热单元及表面效应单元1、选择“ Main Menu： >Preproc essor>Element Type>Add/Edit/Delete ”，定义单元类型 1 为 PLANE55；单元类型 2 为 SURF151。

6 / 22个人精品文档，值得您的拥有2、点击 SURF151，Options ，将“ Midside nodes”设置为 Exclude ；“ Extra node”设置为 Include ；“ Heat flux and convect loads ”设置为 Hf at average T。