热分析——基础知识

1 概述

在实际生产过程中常常会遇到多种多样的热量传递问题：如计算某个系统或部件的温度分布、热量的获取、热梯度、热流密度、热应力及相变等。所涉及的领域包括：能源、化工、冶金、建筑、电子、航空航天、农业、制冷及船舶等。

ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元方法计算物体内部各节点温度，并导出其他物理参数。运用ANSYS软件可进行热传导、热对流、热辐射、相变、热应力及接触热阻等问题的分析求解。

2 热分析符号及单位

3 传热学经典理论

热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律:对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕

Q-W=△U + △KE + △PE

式中:Q——热量;W——作功;

△U ——系统内能; △U

△KE ——系统动能；

△PE ——系统势能；

对于大多数工程传热问题：△KE＝ △PE＝ 0 ；

通常考虑没有做功：W = 0，则：Q = △U ；

对于稳态热分析：Q = △U = 0，即流入系统的热量等于流出的热量；

对于瞬态热分析：q =dU/dt，即流入或流出的热传递速率 q 等于系统内能的变化。

4 三种基本传热方式

热传递（或称传热）是物理学上的一个物理现象，是指由于温度差引起的热能传递现象。热传递中用热量量度物体内能的改变。热传递主要存在三种基本形式：热传导、热辐射和热对流。只要在物体内部或物体间有温度差存在，热能就必然以以上三种方式中的一种或多种从高温到低温处传递。

热传导（Thermal Conduction）(又称为导热)是指当不同物体之间或同一物体内部存在温度差时，就会通过物体内部分子、原子和电子的微观振动、位移和相互碰撞而发生能量传递现象。不同相态的物质内部导热的机理不尽相同。气体内部的导热主要是其内部分子做不规则热运动是相互碰撞的结果；非导电固体中，在其晶格结构的平衡位置附近振动，将能量传递给相邻分子，实现导热；而金属固体的导热是凭借自由电子在晶格结构之间的运动完成的。

热传导是固体热传递的主要方式。在气体或液体等流体中，热的传导过程往往和对流同时发生。

热辐射（Thermal Radiation），物体由于具有温度而辐射电磁波的现象,称为热辐射。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。

温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为300℃时热辐射中最强的波长在红外区。当物体的温度在500℃以上至800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区.

辐射源表面在单位时间内、单位面积上所发射（或吸收）的能量同该表面的性质及温度有关 ，表面越黑暗越粗糙，发射（吸收）能量的能力就越强。任何物体都以电磁波的形式向周围环境辐射能量。辐射电磁波在其传播路上遇到物体时，将激励组成该物体的微观粒子的热运动，使物体加热升温。

一个物体向外辐射能量的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。如果物体辐射出去的能量恰好等于在同一时间内所吸收的能量，则辐射过程达到平衡，称为平衡辐射，此时物体具有固定的温度。

热辐射能把热能以光速穿过真空，从一个物体传给另一个物体。任何物体只要温度高于绝对零度，就能辐射电磁波，被物体吸收而变成热能，称为热射线。电磁波的传播不需要任何媒质，热辐射是真空中唯一的热传递方式。太阳传递给地球的热能就是以热辐射的方式经过宇宙空间而来。

热辐射的重要规律有4个：基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩-玻耳兹曼定律、维恩位移定律。这4个定律，统称为热辐射定律。

热对流（Thermal Convection）是指流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。由于流体间各部分是相互接触的，除了流体的整体运动所带来的热对流之外，还伴生有由于流体的微观粒子运动造成的热传导。

工业中热对流可分为以下四种类型：

流体无相变化时，根据产生的原因不同，有自然对流和强制对流两种，其中强制对流传热根据流动状态的不同，又可分为层流传热和湍流传热。

流体有相变化时，包括蒸汽冷凝对流和液体沸腾对流。

对流传热通常用牛顿冷却定律来描述。

5 热分析材料基本属性

与热分析直接相关的材料属性包括：热传导率（Thermal Conductivity）、比热容（Specific Heat）、焓（Enthalpy）、对流传热系数（Convection Film Coefficient）、辐射系数（Emissivity）、生热率（Heat Generation Tate）。

热导率(thermal conductivity)是单位温度梯度下的导热热通量，因而它代表物质的导热能力。

物体的热导率与材料的组成、结构、温度、湿度、压强及聚集状态等许多因素有关。一般说来：金属的热导率最大，非金属次之，液体的较小，而气体的最小；固体金属材料热导率与温度反比，固体非金属材料与温度成正比；金属液体的热导率很大，而非金属液体的热导率较小；气体的热导率随温度升高而增大。各种物质的导热系数通常用实验方法测定。

对流传热系数（Convection Film Coefficient）指对流传热基本计算式——牛顿（Newton）冷却公式（Newton‘s law of cooling）中的比例系数，以前又称为对流换热系数，是由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程，只能发生在有流体流动的场合单位是W/(㎡*K)，含义是对流换热速率，反应了对流传热的快慢，对流传热系数越大，表示对流传热越快。对流传热系数分为局部总传热系数和总传热系数，总传热系数总是接近于α小的流体的对流传热系数。对流传热系数代表对流传热能力。影响对流传热系数的主要因素有：引起流动的原因、流动状况、流体性质、传热面性质等。对流传热系数可由理论推导、因次分析、实验等方法获得。

辐射率（Emissivity也称发射率）是指衡量物体表面以辐射的形式释放能量相对强弱的能力。物体的辐射率等于物体在一定温度下辐射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比。黑体的辐射率等于1，其他物体的辐射率介于0和1之间。

辐射率是依据物体本身的温度辐射出能量的能力，描述被测物体辐射能力的参数。也指物体自身辐射的能量与同一温度下绝对黑体所辐射的能量比，用守号ε表示。辐射率仅仅与物体表面的性质（成分、结构）有关。在定给温度条件下，任何物体的辐射率在数值上等于此物体的吸收率。ε=1-ρ。辐射率有时称为辐射系数。当辐射能投射到物体表面时，就发生反射、吸收和透过。物体吸收了辐射能后温度升高，并随之又辐射出一部分能量。

比热容(Specific Heat Capacity)是指没有相变化和化学变化时，一定量均相物质温度升高1K所需的热量。如果是1mol物质，则所需热量即为摩尔热容。在等压条件下的摩尔热容Cp称为定压摩尔热容。在等容条件下的摩尔热容Cv称为定容摩尔热容。通常将定压摩尔热容与温度的关系，关联成多项式。

生热率（Heat Generation Tate）指物体单位体积单位时间内产生的热量，单位为瓦特每立方米。

6 热载荷

ANSYS常用热载荷有温度、热流率、对流、热流密度、生热率、热辐射率等。

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