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2013-06-14 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
Cosmos培训教程:热分析 (Thermal Analysis)
有三种传热机制。这些机制分别是:
传导
对流
辐射
热分析计算物体中由于以上部分或全部机制所引起的温度分布。在所有三种机制中,热能从具有较高温度的介质流向具有较低温度的介质。传导和对流传热需要有中间介质,而辐射传热则不需要。
热流量和热量源可以由恒温器控制。
传导是热能通过物质的原子或分子间的相互作用从一点传送至另一点的传热机制。传导发生在固体、液体和气体中。
传导不涉及物质的任何整体运动。气体通过高能分子间的直接碰撞传热,由于气体是稀释的介质,因此气体的热导率相对于固体较低。在液体中的能量传导与在气体中相同,所不同的是,由于液体分子间的距离更近,分子力场对碰撞过程中的能量交换影响更强,因此情况更加复杂。非金属固体通过点阵振动传热,因此热在传播时没有介质的运动。由于金属具有携带热能的自由电子,因此,与非金属相比,在常温下金属是更好的导体。
传导传热遵循傅立叶定律,其中提出:热传导速率 Q传导 与传热面积 (A) 和温度梯度 (dT/dx) 成正比,即:
Q传导 = - K A (dT/dx)
其中 K 是热导率,用来度量材料的导热能力。K 的单位是 W/m.oC 或 (Btu/s)/in.oF。对于如下所示的平面垫片,热传导速率通过以下公式计算:
Q传导= - K A ( T热 - T冷 )/L
此图显示了液体、非金属固体和纯金属在常温和常压下热导率的范围值。
热导率 (K) 的温度依赖性
对于大多数材料,K 随温度而变化。在气体中,它在低压下会随温度而上升,但在金属或液体中,则可能上升或下降。
下表列出了所选材料的热导率 (W/m.oK) 对温度 (oK) 的值:
对流 (Convection)
对流是热量在固体表面和附近移动的流体(或气体)之间传送的传热模式。 对流有两个要素:
由于随机分子运动(扩散)所引起的能量传送,以及
流体的整体或宏观运动(平流)所引起的能量传送
对流机制可以解释为如下: 当较热表面附近的流体层变得更热时,其密度会降低(在常压下,密度与温度成反比)而变轻。 表面附近的较冷(较重)流体将代替较热流体,循环模式形成。
温度为 Tf 的流体和温度为 Ts 、面积为 A 的固体表面之间的热交换速率遵循牛顿冷却定律,可以写作:
Q对流 = h A (Ts - Tf)
其中 h 是对流传热系数。 h 的单位是 W/m2.K或Btu/s.in2.F。 对流传热系数 (h) 取决于流体运动、几何形状以及热力学和物理属性。
一般来说,有两种模式的对流传热:
自然(自由)对流
固体表面附近的流体运动是由浮力造成的,而浮力是由于固体和流体之间的温差而导致的流体密度变化所引起的。 将热板放在空气中冷却时,板表面附近的空气微粒变得较热,密度降低,因此会向上移动。
强迫对流
外部方式(如风扇或泵)用来加速流体在固体表面的流动。 流体微粒在固体表面的快速运动使温度梯度最大化,并增加了热交换速率。
对流传热系数
辐射 (Radiation)
热辐射是由物体由于其温度的原因而以电磁波的形式发出的热能。温度在绝对零度以上的任何物体都会发出热能。由于电磁波在真空中传播,因此不需要任何介质就可以发生辐射。下图显示了相比较其他方式(X 射线、g 射线、宇宙射线等)所发出的辐射来说热辐射的范围(波长)。
太阳的热能通过辐射到达地球。由于电磁波以光速传播,因此辐射是速度最快的传热机制。
下一小节将讨论以下主题:
基本辐射定义
Stefan-Boltzmann 定律
真实表面的辐射发射
表面之间的辐射交换
辐射视角因数
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