CFD学习：热通量

Cadence CFD学习 2023年6月27日浏览：1479

要点

热热通量是单位面积上传递的热能的速率。
热通量管理对于最大限度地降低组件故障风险并保持关键航空航天应用的理想性能水平非常重要。
CFD 仿真可以预测热模式、识别热点以及评估冷却策略，从而使系统设计人员能够更深入地了解高热通量区域并优化热管理策略。

CFD学习：热通量的图1

当飞机高速飞行时，它会遇到周围空气中不同的温度和压力。由于飞机和空气之间的温差，这会导致热传递。这就是热流密度的概念。

热热通量是热量流过或传递通过表面的速率。

考虑到极端温度和热差，航空航天应用经常面临管理热通量的持续挑战。为了确保航空航天器的安全和高效，探讨热流密度的作用和意义具有重要意义。

什么是热通量？

热热通量是指单位面积上传递热能的速率。在航空航天应用中，热通量的主要来源来自发动机和电气设备的加热，或由于外部大气因素。管理这些热源和相关的热通量对于防止过热和组件故障等问题，同时保持关键系统所需的性能水平至关重要。

然而，考虑到所涉及系统的复杂性，热通量的管理存在多种挑战。

热通量管理挑战
挑战	影响
高温梯度	大的温差会导致热应力增加、材料退化，并最终导致系统故障。
动态热源	航空航天系统由于发动机启动等过程而经历动态热量，因此需要适应性强的热管理解决方案。
热疲劳	重复的热循环，即加热和冷却的交替周期，会导致热疲劳，从而引起材料退化、裂纹和部件故障等问题。
操作环境	航空航天系统在极端操作环境下工作，包括极高的温度和真空条件，导致热通量管理面临挑战。
空气动力学考虑	流速、边界层、流动分离等空气动力学因素影响传热现象。例如，较厚的边界层可以降低对流换热系数；流动分离和较低的流速可能会导致局部热问题。
兼容性检查	热热通量受到热系统中使用的材料的影响——它必须高效传热并防止不利的相互作用，例如腐蚀、化学反应或材料降解。
计算限制	热流的模拟和分析需要大量的计算资源、时间和成本。

通过 CFD 模拟分析传热

在航空航天应用中，计算流体动力学 (CFD) 模拟是一种有效的技术，使工程师能够分析传热和流体流动现象。通过预测和优化传热过程，CFD 仿真以多种方式提高航空航天系统的安全性和效率。

航空航天应用中通过 CFD 模拟进行热流分析
热分析与优化	分析不同的传热模式和热梯度。对流体流动和温度分布进行建模，以深入了解容易产生高热通量的热点。
设计迭代和性能评估	模拟并比较各种配置、材料和冷却技术的性能，以确定最有效的解决方案确定整体系统性能，确保安全裕度。
组件级传热分析	分析组件级别的热通量以评估热性能。识别潜在热点并优化冷却策略。
空气动力学考虑	分析气流对热通量的影响。优化冷却系统设计（利用自然对流）以提高系统效率。
安全裕度识别	确定安全裕度并预测组件可以承受的最大热通量。

通过管理热通量确保航空航天安全

在航空航天应用中，传热现象的分析对于利用最佳热管理策略确保安全和效率至关重要。CFD 仿真和分析在预测热模式、识别热点和评估冷却策略方面发挥着至关重要的作用。此外，模拟还可以评估不同材料和结构配置对热通量的影响。这使得工程师能够管理高热通量区域并确保均匀的温度分布以防止组件故障。通过准确的模拟和对传热过程的深入了解，可以优化性能并确保关键航空航天系统的安全。

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文章来源：cadence 博客