热分析指南60_第5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：ET
GUI： Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options
分析设置选项：
?中间节点：
Include： keyopt(4)=0
Exclude： 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)=0
Include： 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)=4
Axisymmetric： Keyopt(8)=4
Plane with thickness： Keyopt(8)=4
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 Attribs
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 Effect
5.7 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，OK
5.8 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
? SURF151 2-D热表面单元
? SURF152 3-D热表面单元
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,1
GUI：Utility Menu>PlotCtrls>Symbols
5.9 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
1、选择“Utility Menu>File>Change Title”，输入HEATSINK1。
2、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=.15
hgt=1.0
ttop=0.05
tbot=0.15
fspc=0.4
dt=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)/39.37
hvert1=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 !竖直边对流系数（经验公式）
len=base/39.37
hvert2=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144
len=(fspc-tbot)/39.37
hhorz1=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 !水平边对流系数（经验公式）
len=ttop/39.37
hhorz2=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144
5.9.2.3 定义热单元及表面效应单元
1、选择“Main Menu：>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，定义单元类型1为PLANE55；单元类型2为SURF151。
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。
5.9.2.4 定义定义材料属性
1、选择“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models”在弹出的材料定义窗口中顺序选择Thermal，Conductivity，Isotropic选项，KXX框中输入8.5。
2、任意定义2～5号材料。
5.9.2.5 创建几何模型
1、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Keypoint>In Active CS”，创建8个关键点。关键点的编号及坐标如下：
2、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Area>Arbitrary>Through KPs”，输入1，4，5，2，点击APPLY；输入2，5，6，3，点击APPLY；输入4，7，8，5，点击OK，由关键点组成了3个面。
3、选择“Utility Menu>WorkPlane> Local Coordinate system>Create Local CS>At Specified Loc”，输入fspc/2,0,0创建局部坐标。
4、选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area，Pick all，on Y-Z plane”，映射面。
5、选择“MainMenu>Preprocessor>Numbering Contrls>Merge Items”，选择Keypoints。
6、选择“MainMenu>Preprocessor>Copy>Area”，点击Pick all，在number of copied中输入5， x offset中输入fspc。
7、选择“Utility Menu>WorkPlane> Local Coordinate system>Create Local CS>At Specified Loc”，输入5*fspc,0,0创建局部坐标。
8、选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area”，输入28,29,30，on Y-Z plane映射面。
9、选择“MainMenu>Preprocessor>Numbering Contrls>Merge Items”，选择Keypoints。
10、选择“Utility Menu>WorkPlane>Change Active CS>To Global Cartesian”，返回总体直角坐标系。
5.9.2.6 赋予各边属性
1、选择所有的长斜边：
选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>Exterior，From Full, Apply”；
选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By location，Y coordinate”，输入base+0.1，hgt-0.1，选择reselect，Apply；
选择“Utility Menu：> Select>Entities>Line> By location，X coordinate”，输入0，
选择Unselect；
选择“Main Menu>Define>All Lines>”，选择材料为2，单元类型为2；
2、选择最右边的线：
选择“Utility Menu>Select>Entities>Line> By location，X coordinate”，输入5.5*fspc，From Full；
选择“Main Menu>Define>All Lines”，选择材料为3，单元类型为2；
3、选择冷却栅根部的线：
选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>Exterior， From Full， Apply”；
选择“Utility Menu> Select>Entities>Line> By location， Y coordinate”，输入base，Reselect， OK；
选择“Main Menu>Define>All Lines>”，选择材料为4，单元类型为2；
4、选择顶部的线：
选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By location， Y coordinate”，输入hgt， From Full，OK；
选择“Main Menu>Define>All Lines”，选择材料为5，单元类型为2；
5、选择“Utility Menu>Select>Select Everything”，选择所有项目。
5.9.2.7 划分热单元网格
选择“Main Menu>Meshtool”，设定global size为ttop*0.9，选择mapped，点击mesh all。
5.9.2.8 创建孤立节点
1、选择“Utility Menu>Parameter>Get Scalar Data>Model Data>For Selected Set”，点击OK，选择Current Node Set，Highest node num，输入NN得到最大节点编号。
2、选择“Main Menu>Preprocessor>Create>Node>On Active CS”，输入节点编号为NN+1，X坐标为5.5*fspc/2，Y坐标为hgt+0.2，创建面效应单元的附加节点。
5.9.2.9 生成表面效应单元
1、生成材料编号为2的表面单元：
选择材料编号为2的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute> Material”，输入2，From full，Apply。
选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。
定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为2。
生成表面单元，选择“Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。
2、生成材料编号为3的表面单元：
选择材料编号为3的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute> Material”，输入2，From full，Apply。
选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。
定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为3。
生成表面单元，选择“Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。
3、生成材料编号为4的表面单元：
选择材料编号为4的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute> Material”，输入4，From full，Apply。
选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。
定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为4。
生成表面单元，选择“Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。
4、生成材料编号为5的表面单元：
选择材料编号为5的线,选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By attribute> Material”，输入5，From full，Apply。
选择线上的节点，选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>Attached to>Line all，From Full”，点击Apply；选择，By Num/Pick，Also Select，点击OK。
定义单元属性，选择“Main Menu：>Preprocessor>Create>Element>Elem Attribute”，选择单元类型为2，材料编号为5。
生成表面单元，选择“Utility Menu>Main Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf Effect>Extra Node”，选择除附加节点外的所有节点，点击OK，输入NN+1，点击OK。
5.9.2.10 施加热流密度载荷
1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>By Location，y coordinate”，输入0， From Full，点击OK，。
2、选择“Main Menu>Solution>Apply>Heat flux>On nodes”，点击pick all，输入17。
5.9.2.11 在表面单元施加对流载荷
1、选择材料编号为2的单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute> Material”，输入2， From Full， OK。
2、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hvert1。
3、选择材料编号为3的单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute> Material”，输入3， From Full， OK。
4、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hvert2。
5、选择材料编号为4的单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute> Material”，输入4， From Full， OK。
6、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hhorz1。
7、选择材料编号为5的单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attribute> Material”，输入5， From Full， OK。
8、定义对流系数：选择“Main Menu>Solution>Apply>Convection>On Elements Uniform”，输入hhorz2。
9、选择“Utility Menu>Select>Select Everything”。
10、定义附加节点的温度（bulk temperature）：选择“Utility Menu>Select>Select Everything”。
5.9.2.12 求解
选择“Main Menu>Solution>Current LS”。
5.9.2.13 列出冷却栅与空气间的热流
选择“Main Menu>General Post>List Result>Reaction Solu”。
5.9.2.14 显示冷却栅的温度分布
1、选择“Utility Menu>Select>Entities>Node>By Num/Pick，Unselect”，输入NN+1，点取工具条POWRGRPH，选择OFF。
2、选择“Main Menu>General Post>Plot Result>Nodal Result>Temperature”。
5.9.2.15 求解冷却栅表面的平均温度，与假设作对比
1、选择所有的表面单元：选择“Utility Menu>Select>Entities>Element>By Attributes> Element Type”，输入2，From Full。
2、定义单元表，得到各单元平均温度：选择“Main Menu：>General Post> Element Table>Define Table>Add”，输入tavg，选择By senquence num，nmisc，输入6。
3、求和：选择“Main Menu：>General Post>Element Table>sum of each item”。
4、附于变量TAVG：选择“Utility Menu>Parameter>Get Scalar Data>Result data >Elem Table Sum”，输入变量名TAVG。
5、得到单元总数：选择“Utility Menu：>Parameter>Get Scalar Data>Model data>For Selected set>Current Element set>Number of Elem’s”，输入NE。
6、输入tavg=tavg/ne。
7、显示冷却栅表面平均温度：输入*Stat， tavg。
5.9.3 等效的命令流方法
/filename,heatsink1
/title,Heatsink convection using SURF151 ignoring radiation
base=.15
hgt=1.0
ttop=0.05
tbot=0.15
fspc=0.4
dt=301.5-90 !假设表面与空气的温差
dt=dt*5/9 !转换为摄氏度
len=(hgt-base)/39.37
hvert1=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 !竖直边的对流系数（根据经验公式）
len=base/39.37
hvert2=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144
len=(fspc-tbot)/39.37
hhorz1=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144 !水平边的对流系数（根据经验公式）
len=ttop/39.37
hhorz2=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144
/prep7
et,1,plane55
mp,kxx,1,8.5
mp,kxx,2,8.5
mp,kxx,3,8.5
mp,kxx,4,8.5
mp,kxx,5,8.5
et,2,SURF151 !定义带孤立节点的表面单元keyopt,2,4,1
keyopt,2,5,1
keyopt,2,8,2
k,1
k,2,,base
k,3,,hgt
k,4,tbot/2
k,5,tbot/2,base
k,6,ttop/2,hgt
k,7,fspc/2
k,8,fspc/2,base
a,1,4,5,2
a,2,5,6,3
a,4,7,8,5
/pnum,area,1
aplot
local,11,0,fspc/2 !创建局部直角坐标
arsym,x,all !映射所有的面
nummrg,kp !重合所有关键点
agen,5,1,6,1,fspc !将这6个面拷贝4次
nummrg,kp
local,11,0,5*fspc
arsym,x,28,30 !完成整个几何模型
nummrg,kp
aplot
/pnum,area,0
csys,0 !使用全局直角坐标
lsel,s,ext !选择所有外边界线
lsel,r,loc,y,base+.1,hgt-.1
lsel,u,loc,x,0 !选择集中除去底边
latt,2,2,2 !赋予材料2,实常数2,单元类型2 lsel,s,loc,x,5.5*fspc !选择最右边的线
latt,3,3,2 !赋予材料3,实常数2,单元类型2 allsel
lsel,s,ext !选择所有外边界线
lsel,r,loc,y,base !选择冷却栅根部所有的线
latt,4,4,2 !赋予材料4,实常数2,单元类型2 lsel,s,loc,y,hgt !选择冷却栅顶部所有的线
latt,5,5,2 !赋予材料5,实常数2,单元类型2
lsel,s,mat,,2,5 !选择材料编号为2到5的线/pnum,mat,1
lplot
allsel
eshape,2 !单元形状为四边型
esize,ttop*0.9 !设定单元大小
amesh,all !用PLANE55划分网格
*get,nn,node,,num,max !得到节点的最大编号nn n,nn+1,5.5*fspc/2,hgt+0.2 !创建孤立节点
lsel,s,mat,,2 !选择材料为2的线
nsll,s,1 !选择线上的节点
type,2 !单元单元单元类型为2 mat,2 !材料编号为2
eSURF,nn+1 !生产带孤立节点的表面单元lsel,s,mat,,3
nsll,s,1
type,2
mat,3
eSURF,nn+1
lsel,s,mat,,4
nsll,s,1
type,2
mat,4
eSURF,nn+1
lsel,s,mat,,5
nsll,s,1
type,2
mat,5
eSURF,nn+1
allsel
eplot
/pnum,mat,0
finish
/solu
antype,static !稳态分析
nsel,s,loc,y,0 !底边施加热流密度载荷
sf,all,hflux,17.0
esel,s,mat,,2
sfe,all,1,conv,1,hvert1 !定义各边的对流系数esel,s,mat,,3
sfe,all,1,conv,1,hvert2
esel,s,mat,,4
sfe,all,1,conv,1,hhorz1
esel,s,mat,,5
sfe,all,1,conv,1,hhorz2
allsel
d,nn+1,temp,90 !定义孤立节点的温度（bulk temperature）
/pbc,temp,1
/psf,hflux,2
eplot
/psf,conv,,2
nplot
/pbc,default
/psf,defautl
solve !求解
finish
save
/post1
prrsol
nsel,u,,,nn+1 !不选择孤立节点
/graphics,full
plnsol,temp !显示温度分布
esel,s,type,,2 !计算表面平均温度与假设值对比
etable,tavg,nmisc,6
ssum
*get,tavg,ssum,0,item,tavg
*get,ne,ELEM,0,COUN
tavg=tavg/ne
*stat,tavg
finish
5.10 表面效应单元的实例2－圆管热分析
5.10.1 问题描述
求解圆管中流体及管壁的温度分布。考虑流体与管内壁的对流，管外壁与周围环境对流。已知条件如下：
管内水的物理性质及入口条件
导热系数0.6 W/(m-℃)
密度1000 Kg/m3
比热4183 J/(Kg-℃)
入口温度：20 ℃
入口流速 3 m/s
管壁物理性质及几何尺寸
导热系数100 W/(m-℃)
管外径 5/16 inch
壁厚0.083 inch
长度12 inch
管外对流条件：
环境温度100 ℃
对流系数10000 W/(m2-℃)
管内对流条件：
对流系数：15000 W/(m2-℃)
5.10.2 命令流方法
! ANSYS 5.5 Heat Transfer Seminar Notes
! STEADY-STATE ANALYSIS OF SIMPLE HEAT EXCHANGER
PI=ACOS(-1)
RI=((5/16)-0.083)*0.0254 ! 管内半径(m)
RO=(5/16)*0.0254 ! 管外半经(m)
L=12*0.0254 ! 管长度(m)
NTHICK=1 ! 径向单元个数
SIZE=(RO-RI)/NTHICK ! 径向单元长度
NLENGTH=NINT(L/SIZE) ! 长度方向单元个数
! 材料属性
KTUBE=100 ! 管导热系数 W/(m-℃)
KWATER=0.6 ! 水导热系数 W/(m-℃)
DENSWATR= 1000 ! 水密度 Kg/(m**3)
CWATER=4183 ! 水比热 J/(Kg-℃)
! 入口
VINPUT=3 ! 入口流速 m/sec
CAREA=PI*(RI**2) ! 流通面积 m2
MASSFLOW=VINPUT*CAREA*DENSWATR ! 质量流率 m3/sec
! 热传递边界条件
TINLET=20 ! 入口水温度℃
TBULK=100 ! 管外环境温度℃
HI=15000 ! 管内壁与水的对流系数 W/(m2-℃)
HO=10000 ! 管外壁对流系数 W/(m2-℃)
/PREP7
! 定义单元类型及选项
ET,1,116,1,1 ! KEYOPT(1)=1, 自由度为温度
! KEYOPT(2)=1, 使用SURF151模拟管内对流ET,2,151,,,1,1,1 ! 热表面效应单元
KEYOPT,2,8,2
! KEYOPT(3)=1, 轴对称
! KEYOPT(4)=1, 无中间节点
! KEYOPT(5)=1, 有额外节点，在FLUID116上
！KEYOPT(8)=2, 考虑对流
ET,3,55,,,1 ! KEYOPT(3)=1, 轴对称
R,1,2*RI,CAREA,1 ! FLUID116 实常数
! 定义材料属性
MP,KXX,1,KWATER
MP,C,1,CWATER
MP,DENS,1,DENSWATR
MP,KXX,3,KTUBE
! 创建几何模型划分单元
K,1,0,0,0
K,2,0,-L,0
K,3,0,-(L+SIZE),0
L,1,2
L,2,3 ! 线1和线2模拟管内流体流动
CM,WATERLIN,LINES ! 创建组元
RECTNG,RI,RO,0,-L ! 管壁
TYPE,1
REAL,1
MAT,1
ESIZE,,NLENGTH
LMESH,1
ESIZE,,1
LMESH,2
LSEL,S,LOC,X,(RI+RO)/2 ! 选择管两端
LESIZE,ALL,,,NTHICK ! 厚度方向单元个数
ESIZE,,NLENGTH !单元大小
TYPE,3
MAT,3
ALLSEL,ALL
AMESH,1
! 创建表面效应单元
LSEL,S,LOC,X,RI ! 选择管内壁
CM,TUBELIN,LINES
TYPE,2
LFSURF,'TUBELIN','WATERLIN' ! 使用宏LFSURF创建表面效应单元SAVE
/SOLU
DK,1,TEMP,TINLET ! 入口水温度
LSEL,S,LOC,X,RO
SFL,ALL,CONV,HO,,TBULK ! 管外壁对流边界
ESEL,S,ENAME,,SURF151
SFE,ALL,,CONV,0,HI ! 管内壁对流系数
ESEL,S,ENAME,,FLUID116
SFE,ALL,,HFLUX,,MASSFLOW ! 管内水质量流率，以热流密度方式施加ALLSEL,ALL
SOLVE
FINISH
/POST1
NSEL,S,LOC,X,0 ! 选择FLUID116
PRNSOL,TEMP ! 列出流体温度分布
NSEL,S,LOC,X,RO ! 选择管外壁节点
PRNSOL,TEMP ! 列出管外壁节点温度NSEL,ALL ! 选择所有节点FINISH
第五章对流传热分析..
第五章 对流换热分析 通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。 5.1内容提要及要求 5.1.1 对流换热概述 1．定义及特性 对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。牛顿冷却公式w f ()q h t t =-是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。 2．影响对流换热的因素 （1）流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。 （2）流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。 （3）流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。 （4）流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。 （5）换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。 综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数 ()w f p ,,,,,,,,h f u t t c l λραμ= 这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。 3．分析求解对流换热问题 分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数 2x x w,x W/(m K)t h t y λ??? ?=- ? ? ??? 由上式可有 2x x w,x W/(m K)h y λθ?θ?? ?=- ? ? ??? 其中θ为过余温度，t t θ=-。
DSC 热分析方法简介
Interpretation of DSC curves Practice: The 15 diagrams on the next pages include the following effects:§melting §crystallization, cold crystallization §evaporation, vaporization, drying §solid-solid transition §polymorphic transitions via the liquid phase §glass transition §oxidation §curing, polymerization, polyaddition §decomposition §initial deflection §artifact, mechanical disturbances Write down the effects on the curves and try to find out what each substance is.
Diagram 1 Clear liquid Diagram 2 White powder Wg^-1-0.030 -0.025°C 299.5 300.0 300.5 mW 5°C 292 294296298300302304306308^exo Interpretation DSC 216.11.2000 17:43:26 MSG MT: G. Widmann System e R TA METTLER TOLEDO S Diagram 3 White powder, heated to 200 °C and shock cooled to ambient mW 10°C 120130140150160170180190 ^exo Interpretation DSC 310.11.2000 17:31:50 MSG MT: G. Widmann System e R TA METTLER TOLEDO S
三种热分析方法综合介绍.
三种热分析方法综合介绍 热分析是在程序控制温度的条件下，测量物质的物理性质随温度变化关系的一类技术。该技术包括三个方面的内容：其一，物质要承受程序控温的作用，通常指以一定的速率升（降）温。其二，要选定用来测定的一种物理量，它可以是热学的、力学的、声学的、光学的以及电学的和磁学的等。其三，测量物理量随温度的变化关系。 物质在受热过程中要发生各种物理、化学变化，可用各种热分析方法跟踪这种变化。表1中列出根据所测物理性质对热分析方法的分类。其中以差热分析（DTA）和热重分析（TG）的历史最长，使用也最广泛；微分热重分析（DTG）和差示扫描置热法（DSC）近年来也得到较迅速地发展。下面简单介绍DTA、TG和DSC的基本原理和技术。 表1热分析方法的分类 （一）差热分析（DTA） 差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。差热分析曲线是描述样品与参比物之间的温差（ΔT）随温度或时间的变化关系。在DAT试验中，样品温度的变化是由于相变或反应的吸热或放热效应引起的。一般说来，相变、脱氢还原和一些分解反应产生吸热效应；而结晶、氧化和一些分解反应产生放热效应。 图1为差热分析装置示意图，典型的DTA装置由温度程序控制单元、差热放大单元和记录单元组成。将试样S和参比物R一同放在加热电炉中进行程序升温，试样在受热过程中所发生的物理化学变化往往会伴随着焓的改变，从而使它与热惰性的参比物之间形成一定的温度差。差热分析中温差信号很小，一般只有几微伏到几十微伏，因此差热信号经差热放大后在记录单元绘出差热分析曲线。从曲线的位置、形状、大小可得到有关热力学和热动力学方面的信息。
热分析
高分子材料研究方法（热分析部分）复习题 一、简答题（7*2分） 二、论述题（8*3分） 三、应用题（15分选作） 一、简答题（7*2分） 1.何谓热分析？请解释“程序温度”，“物质”和“某一物理性质”的含义，常用的热分析仪器。 热分析是测量在受控程序温度条件下，物质的物理性质随温度变化的函数关系的一组技术。“程序温度”是指把温度看作是时间的函数，设计出实验所需要的温度程序。“物质”是指试样本身和试样的反应产物，包括中间产物。“某一物理性质”包括质量、热焓变化、温差、尺寸、机械特性、光学特性、电学特性等。最常用的热分析方法有:差热分析(DTA)、热重分析(TG)、差示扫描量热法(DSC)、静态热机械分析(TMA)和动态热机械分析(DMA)。 2.分别写出DTA，DSC,TG,TMA,DMA的定义，方法原理及主要应用范围。 （1）差热分析DTA是在程序温度控制下，测量试样和参比物的温度差与温度的函数关系的一种技术。 我们把测量的物质称为试样，选取在测量的温度范围内，所测物理性质为热惰性的物质作为参比物，即这种物质在此温度范围内，要测定的物理性质变化小而平稳，成线性变化，不存在突变。如果样品温度为TS，参比物温度为TR，则我们所得到的DTA曲线纵坐标为ΔT= TS - TR 。ΔT为正表示放热反应，ΔT为负表示吸热反应。由此可显示出与热量相伴的物理或化学变化。 使用领域 1：DTA常用来测定物质的熔化、金属与合金的相变、高聚物玻璃转化的温度。2：DTA 可以对物相进行定性分析3：可以使用DTA进行煅烧生产过程模拟。 （2）DSC法是在DTA原理的基础上发展派生而来的。它是在程序控制温度下,测量输入到物质和参比物的功率差与温度的关系的一种技术。 （3）热重分析TG是在程序温度控制下，测量物质质量与温度关系的一种技术，简称TG。如果在程序升温的条件下不断记录试样重量的变化，即可得到TG曲线（图1a）。一般可以观察到二到三个台阶。 主要应用：研究热稳定性、进行高聚物的剖析与鉴定、研究高聚物裂解反应动力学和测定活化能 （4）热机械分析：在程序温度控制下，对一物质施加非振荡负载，测量物质的尺寸变化(形变)、应力与温度的函数关系的技术称为热机械分析。 静态热—力法是对物质施加一定的负荷，测定其形变大小的方法。 应用1. 就一个方法的单性功能而言，TMA曲线的“指纹”性优于DTA或DSC。 2. TMA曲线测得的各种性质，如线膨胀系数（CTE）、热收缩率(ST)和收缩力(SFT)正是纤维应用时所涉及的重要性质。 3. TMA可以检测Tg和Tm等物理相变的温度。 4. 一个重要的应用是收缩动力学和收缩力现象的研究。它是纤维TMA理论研究中的主要内容。 （5）所谓动态力学是指物质在变负载或振动力的作用下所发生的松弛行为。DMA就是研究在程序升温条件下测定动态模量和阻尼随温度的变化一种技术。 应用：1.Tg的测定2.共混高聚物相容性的测定3.增塑对高聚物DMA曲线的影响4. DMA法研究高聚物在Tg以下的分子松弛运动5. 用DMA方法测定热固性树脂的固化过程6. 高聚
传热学第五章答案
复习题 1、试用简明的语言说明热边界层的概念。 答：在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈变化，而在此 薄层之外，流体的温度梯度几乎为零， 固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为 温度边界层或热边界层。 2、与完全的能量方程相比，边界层能量方程最重要的特点是什么? 答：与完全的能量方程相比，它忽略了主流方向温度的次变化率 适用于边界层内，不适用整个流体。 3、式（5—4）与导热问题的第三类边界条件式（ 2 —17）有什么区另 一个包括h 的无量纲数，只是局部表面传热系数，而整个换热表面的表面系数应该把 牛顿冷却公式应用到整个表面而得出。 4、式（5—4）表面，在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热中，流 体的流动起什么作用? 答：固体表面所形成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主流区的速度有关, 流动速度越大，边界层越薄，因此导热的热阻也就越小，因此起到影响传热大小 5、对流换热问题完整的数字描述应包括什么内容？既然对大多数实际对流传热问题尚无法 求得其精确解，那么建立对流换热问题的数字描述有什么意义? 答：对流换热问题完整的数字描述应包括：对流换热微分方程组及定解条件，定解条件 包括，（1）初始条件 （2 ）边界条件 （速度、压力及温度）建立对流换热问题的数字描述 目的在于找出影响对流换热中各物理量之间的相互制约关系，每一种关系都必须满足动量, 能量和质量守恒关系，避免在研究遗漏某种物理因素。 基本概念与定性分析 5-1、对于流体外标平板的流动， 试用数量级分析的方法， 从动量方程引出边界层厚度 解：对于流体外标平板的流动，其动量方程为: 第五章 2 / 2 A / X ，因此仅 h 答： (5— 4) (丄)h(t w t f ) h (2—11) 式（5—4）中的 h 是未知量，而式（2 —17）中的h 是作为已知的边界条件给出, 此外（2 —17）中的 为固体导热系数而此式为流体导热系数，式（ 5— 4）将用来导出 的如下变化关系式: x
差热分析法(DTA)简介 (Differential Thermal Analysis)
差热分析法(DTA)简介（Differential Thermal Analysis） 1.DTA的基本原理 差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。差热分析曲线是描述样品与参比物之间的温差(ΔT)随温度或时间的变化关系。在DAT试验中，样品温度的变化是由于相转变或反应的吸热或放热效应引起的。如:相转变，熔化，结晶结构的转变，沸腾，升华，蒸发，脱氢反应，断裂或分解反应，氧化或还原反应，晶格结构的破坏和其它化学反应。一般说来，相转变、脱氢还原和一些分解反应产生吸热效应；而结晶、氧化和一些分解反应产生放热效应。 差热分析的原理如图Ⅱ-3-1所示。将试样和参比物分别放入坩埚，置于炉中以一定速率进行程序升温，以表示各自的温度，设试样和参比物(包括容器、温差电偶等)的热容量Cs、Cr不随温度而变。则它们的升温曲线如图Ⅱ-3-2所示。若以对t作图，所得DTA曲线如图Ⅱ-3-3所示， 在0-a区间，ΔT大体上是一致的，形成DTA曲线的基线。随着温度的增加，试样产生了热效应(例如相转变)，则与参比物间的温差变大，在DTA曲线中表现为峰。显然，温差越大，峰也越大，试样发生变化的次数多，峰的数目也多，所以各种吸热和放热峰的个数、形状和位置与相应的温度可用来定性地鉴定所研究的物质，而峰面积与热量的变化有关。 图Ⅱ-3-1差热分析的原理图 II-3-1 差热分析的原 理图图 II-3-2试样和参 比物的升温曲线 1.参比物; 2.试样; 3.炉体; 4.热电偶(包括吸热转变) 图Ⅱ-3-3 DTA吸热转变曲线 TA曲线所包围的面积S可用下式表示 式中m是反应物的质量，ΔH是反应热，g是仪器的几何形态常数，C是样品的热传导率ΔT是温差，t1是DTA曲线的积分限。这是一种最简单的表达式，它是通过运用比例或近似常数g和C来说明样品反应热与峰面积的关系。这里忽略了微分项和样品的温度梯度，并假设峰面积与样品的比热无关，所以它是一个近似关系式。 2.DTA曲线起止点温度和面积的测量
热分析技术简介——DSC
热分析技术简介——DSC 摘要：差示扫描量热分析仪因其使用方便，精确度高等特点，多年来备受青睐。本文介绍了差示扫描量热法（DSC）的发展历史、现状及工作原理，并且简要地介绍了DSC在天然气水合物、食品高聚物测定和水分含量测定、油脂加工过程及产品、沥青性能研究及改性沥青的性能评定中的应用。 关键词：DSC 技术发展现状应用 一、差示扫描量热法( DSC ) 简史 18世纪出现了温度计和温标。 19世纪，热力学原理阐明了温度与热量即热焓之间的区别后，热量可被测量。 1887年，Le Chatelier进行了被认为的首次真正的热分析实验：将一个热电偶放入黏土样品并在炉中升温，用镜式电流计在感光板上记录升温曲线。 1899年，Roberts Austen将两个不同的热电偶相反连接显著提高了这种测量的灵敏度，可测量样品与惰性参比物之间的温差。 1915年，Honda首次提出连续测量试样质量变化的热重分析。 1955年，Boersma设想在坩埚外放置热敏电阻，发明现今的DSC。 1964年，Watson等首次发表了功率补偿DSC的新技术。 差示扫描量热法是六十年代以后研制出的一种热分析方法。它被定义为：在温度程序控制下，测量试量相对于参比物的热流速随温度变化的一种技术，简称DSC（Differential Scanning Calovimetry）。根据测量方法的不同，又分为两种类型：功率补偿型DSC和热流型DSC。其主要特点是使用的温度范围比较宽、分辨能力高和灵敏度高。由于它们能定量地测定各种热力学参数（如热焓、熵和比热等）和动力学参数，所以在应用科学和理论研究中获得广泛的应用。 二、差示扫描量热法的现状 2.1差示扫描量热法（DSC）的原理 差示扫描量热法（DSC）装置是准确测量转变温度，转变焓的一种精密仪器,它的主要原理是：将试样和参比物置于相同热条件下，在程序升降温过程中，始终保持样品和参比物的温度相同。当样品发生热效应时，通过微加热器等热元件给样品补充热量或减少热量以维持样品和参比物的温差为零。加热器所提供的热量通过转换器转换为电信号作为DSC曲线记录下来。它是一种将与物质内部相转变有关的热流作为时间和温度的函数进行测量的热分析技术。 2.2差示扫描量热分析技术发展 差示扫描量热法是在差热分析（DTA）的基础上发展起来的一种热分析技术。
ANSYS热分析指南与经典案例
第一章简介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等
第二章 基础知识 一、符号与单位 W/m 2-℃ 3 二、传热学经典理论回顾 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〕 PE KE U W Q ?+?+?=- 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ?U ——系统内能; ?KE ——系统动能； ?PE ——系统势能； ● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ??； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ?=； ● 对于稳态热分析：0=?=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ● 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：dx dT k q -=''，式中''q 为热流
ANSYS热分析-表面效应单元
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：ET GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete>Options分析设置选项： 中间节点： Include：keyopt(4)=0 Exclude：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)=0 Include：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
ANSYS热分析
第一章 简 介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等
第二章 基础知识 一、符号与单位 项目 国际单位 英制单位 ANSYS 代号 长度 m ft 时间 s s 质量 Kg lbm 温度 ℃ o F 力 N lbf 能量（热量） J BTU 功率（热流率） W BTU/sec 热流密度 W/m 2 BTU/sec-ft 2 生热速率 W/m 3 BTU/sec-ft 3 导热系数 W/m-℃ BTU/sec-ft-o F KXX 对流系数 W/m 2-℃ BTU/sec-ft 2-o F HF 密度 Kg/m 3 lbm/ft 3 DENS 比热 J/Kg-℃ BTU/lbm-o F C 焓 J/m 3 BTU/ft 3 ENTH 二、传热学经典理论回顾 热分析遵循热力学第一定律，即能量守恒定律: z 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕 PE KE U W Q Δ+Δ+Δ=? 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ΔU ——系统内能; ΔKE ——系统动能； ΔPE ——系统势能； z 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ΔΔ； z 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q Δ=； z 对于稳态热分析：0=Δ=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； z 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温
第三章_热分析
1第三章热分析技术 2第一节：热分析的定义与分类 第二节：常用热分析基本原理第三节：热分析技术的应用 3 第一节热分析的定义与分类 1.定义： 在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度之间关系的一类技术，统称热分析技术。 有哪些物理性质？ 4 2.种类 （1）热重分析（TGA ） 在程序控制温度下，测量物质的质量随时间或温度变化的一种技术。 （2）差热分析（DTA ） 在程序控制温度下，测量物质与参比物的温度差随时间或温度变化的一种技术。 5 （3）差示扫描量热分析（DSC ） 在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差与温度之间关系的一种技术。（4）热机械分析（TMA 、DMA ） 在程序控制温度下，测量物质的膨胀系数、弹性模量和粘性模量等与温度之间关系的一种技术。 Q:假如测金属熔点和物质的比热容分别用什么方法？ 6 1.热重分析（TGA ） TGA 的基本原理就是在程序温度控制下，采用热天平连续称量物质的重量(质量)，获得重量随温度（或时间）变化的关系曲线，并由此分析物质可能发生的物理或化学的变化。这条曲线就叫热重曲线。 第二节常用热分析基本原理
7Time min 26.00 24.0022.0020.0018.0016.0014.00 12.0010.008.006.00D T A u V 250.0 200.0 150.0100.0 50.0 0.0 T G % 0.0 -20.0 -40.0 -60.0 -80.0 -100.0 T e m p ℃ 900.0 800.0 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 100.0 TGA Weight % Curve Sample Thermocouple Signal DTA Signal 61.5% 8热重平台：在热重曲线中，质量保持不变的 台阶，叫热重平台。 失重阶梯：在热重曲线中，失重平台之间质量变化的部分叫失重阶梯，也叫失重台阶。 微分热重曲线(DTG)：对热重曲线进行一级微分，得到的曲线就叫微分热重曲线。 9 100100200300400500600700800 60 70 80 90 1000 150 300 450 405 252 194 DTG (ug/min) R e l a t i v e W e i g h t (%) Temperature (o C) CMA precursor DTG TG 11 失重一般都是由于分解、脱水、挥发、还原等引起的，但也有少数TG 过程是增重的，如金属Cu 粉的氧化过程。根据增重的多少可以判断上去多少氧，估算平均价态的升高。 12 (1) 实验条件的影响 a. 样品盘的影响 b. 挥发物冷凝的影响 c. 升温速率的影响 d. 气氛的影响(2) 样品的影响 a. 样品用量的影响 b. 样品粒度的影响 影响热重分析的因素
第五章对流换热分析
wton’s law of cooling: ?=W/m 2 dx dt q λ?=
Contents 第一节对流换热概述 Analysis on Convection 第二节对流换热微分方程组 The Convection Heat Transfer Equations 第三节边界层换热微分方程组 Convection Differential Equations of Boundary Layer 第四节边界层换热积分方程(自学) 第五节动量传递和热量传递的类比(自学) 第六节相似理论基础 Basis of similarity theory
Convection is the mode of energy transfer between a solid surface and the adjacent liquid or gas that is in motion, and it involves the combined effects of conduction and fluid motion. (流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，称为对流换热) The faster the fluid motion, the greater the convection heat transfer. We will study how to calculate the convection heat-transfer coefficient h in Chapter 5 and Chapter 6.
5-1 Analysis on Convection(对流换热概述) Convection transfer problem
热分析常用方法及谱图
常用的热分析方法 l热重法（Thermogravimetry TG） l 差示扫描量热仪(Differential Scanning Calorimetry DSC）l 差热分析（Differential Thermal Analysis DTA） l 热机械分析（Thermomechanical Analysis TMA） l 动态热机械法（Dynamic Mechanical Analysis DMA） 谱图分析的一般方法 《热分析导论》刘振海主编 《分析化学手册》热分析分册 TGA DSC 分析图谱的一般方法——TGA 1. 典型图谱 分析图谱的一般方法——TGA的实测图谱
I、PVC 35.26% II、Nylon 6 25.47% III、碳黑14.69% IV、玻纤24.58% 已知样品的图谱分析 与已知样品各方面特性结合起来分析 如：无机物（黏土、矿物、配合物）、生物大分子、高分子材料、金属材料等热分析谱图都有各自的特征峰。 与测试的仪器、条件和样品结合起来分析 仪器条件样品 应用与举例 TGA DSC/DTA TMA 影响测试图谱结果的因素——测试条件 TGA 升温速率 样品气氛
扫描速率 样品气氛 升温速率对TGA 曲线的影响 气氛对TGA 曲线的影响 PE TGA-7 测试条件： 扫描速率：10C/min 气氛：a. 真空 b. 空气 流量：20ml/min 样品：CaCO3（AR） 过200目筛，3-5mg 扫描速率对DSC/DTA曲线的影响气氛对DSC/DTA曲线的影响 气氛的性质
两个氧化分解峰 曲线b： 一个氧化分解峰， 和一个热裂解峰 影响测试图谱结果的因素——样品方面 TGA/DSC/DTA 样品的用量 样品的粒度与形状 样品的性质 样品用量对TGA/DSC/DTA曲线的影响 样品的粒度与形状对曲线的影响——TGA/DSC/DTA 样品的性质对曲线的影响——TGA/DSC/DTA TGA/ DSC/DTA 热分析曲线的形状随样品的比热、导热性和反应性的不同而不同。即使是同种物质，由于加工条件的不同，其热谱图也可能不同。如PET树脂，经过拉伸过的PET树脂升温结晶峰就会消失。 PET 树脂的DSC 曲线 TGA应用 成分分析 无机物、有机物、药物和高聚物的鉴别与多组分混合物的定量分析。游离水、结合水、结晶水的测定，残余溶剂或单体的测定、添加剂的测定等。 热稳定性的测定 物质的热稳定性、抗氧化性的测定，热分解反应的动力学研究等 居里点的测定 磁性材料居里点的测定 可用TGA测量的变化过程
热分析橡胶中的应用
热分析技术在橡胶工业中的应用 TA仪器公司-中国 介绍：热分析技术在橡胶领域应用得越来越广泛，本文简要介绍了示差扫描量热仪DSC、热重分析仪TGA、动态力学分析仪DMA和热机械分析仪TMA的基本原理和在橡胶领域的应用实例。 今在产品研究与开发实验室的科学家正越来 越多地使用着基础研究实验室才会用到的技术手段，使得他们开发出来的产品更加迎合客户和最终顾客的需要。这在当今的橡胶工业界也屡见不鲜。 在这些研究工具名单的前列就是热分析技术。它是一组测量材料的物理和化学性能随温度和时间如何变化的分析技术，主要包括示差扫描量热仪DSC，热重分析仪TGA，动态力学分析仪DMA和热机械分析仪TMA。这些技术曾经是基础研究科学家用来评估新材料，预测新材料在现实环境中服役时的性能的。 随着热分析仪产品越来越成熟，操作越来越方便，TA公司发现在研发实验室和质量控制方面热分析仪也受到重视。这主要得益于热分析仪产品的计算机化和自动化，数据处理、新测量技术使得灵敏度和工作效率大大提高。新的热分析技术诸如T 零(Tzero?)技术、调制DSC(Modulated DSC?)技术、高分辨(Hi-Res?)TGA技术，使得样品量越来越小，实验结果更好，实验的周期也更短。 1．示差扫描量热技术 DSC DSC测量的是样品相对于一个惰性的参比(通常是一个空的样品盘)，在温度和时间变化的过程中热量流入(吸热)或流出(放热)的热流。在典型的测试过程中，样品盘和参比盘在相同的加热速率下，测量两者的热流差。 在橡胶领域里，DSC通常用于测量材料的玻璃化转变温度(Tg)，这是一个聚合物材料从刚硬的玻璃态向弹性的橡胶态转变的特征温度。在DSC测试技术中，Tg表现为热容曲线上的一个明显的变化。图1所示是样品先冷却到-100 C，然后以20 C /分钟的升温速度升到50 C。通过软件的自动分析，可以确定转变的起始拐点(-40.3 C)或转变的中点(-35.4 C)就是玻璃化转变温度Tg。后者更适合于橡胶测量，因为更加客观，不会随实验或操作人员的不同而不同。 图1. DSC测量玻璃化转变温度 在生产过程中，DSC也能作为有效的质量控制手段。DSC曲线相当于产品的“指纹”，不管是原料还是配方方面，只要有偏差有可以明白无误地显示出来。例如，图2所示是一个常用的EPDM样品，可以看到曲线的重现性是非常好的。一旦某种配方化合物的“标准”DSC程序和实验曲线完成以后，生产当中批料的检测就可以通过这个标准来衡量并实施简单的“合格－不合格”审批制度。图3所示为配方改变(增塑剂含量)对样品玻璃化转变温度Tg的影响。增塑剂越多，Tg越低。在最终的使用中，材料的耐低温性越好。 如
第五章 热分析
第五章热分析 1.何谓热分析？简述热分析的三个条件。 答：在程序温度控制下测量物质的物理性质与温度关系的一类方法的统称。 三个条件：a.必须是测量物质的某种物理性质 b.测量的物理量必须直接或间接的与温度之间有某种依赖关系 c.必须在程控温度下测定 2.简述热重分析（TG）分析的定义、原理和影响因素。 定义：是一种在程控温度下的测量物质质量随温度变化的热分析技术 原理：许多物质在加热过程中会在特定温度下发生分解，脱水，氧化，还原和升华等物理变化而出现质量变化，其质量变化的温度T和质量变化百分 数%随物质的结构和组成而异。 影响因数：1.分析仪器因数：a.加热炉内的气体的浮力和对流作用 b.坩埚和支架的影响 2.实验条件和实验参数：a.升温速度b.实验气氛c.试样用量d.试样 粒度 3.DTG（微分热重分析）曲线中的峰是何物理含义，峰的积分面积 与质量变化是何种关系？ 峰的物理含义：DTG曲线上的峰表示质量变化速率最大点，作为质量变化/分解过程的特征温度，代替TG曲线上的阶梯。 关系：峰面积正比于试样质量。 4.TG-DTG综合分析有何优势和注意事项？ 1.同时获得TG和DTG两条曲线; 2.DTG曲线可准确显示出起始反应温度，到达最大反应速率温度和反应终止 温度; 3.当TG曲线不能清楚显示某些受热过程中出现的台阶时，可采用DTG曲线 使其清楚显示，但需将TG曲线和DTG曲线重叠，并分析各个反应阶段的起始温度、最大反应速度温度和终止温度; 4.利用DTG曲线峰面积与样品质量之间的依赖关系，可开展热过程中质量变 化的定量分析; 5.DTG能精确显示微小质量变化的起点; 6.不能将DTG曲线的峰顶温度当成分解温度，DTG的峰顶温度表示在这个温 度下质量变化速率最大，绝对不是样品开始分解和质量损失的温度. 5.何谓DTA（差热分析）分析？DTA分析的基本原理是什么？
热分析指南复习题附件
单元,理论 无操作 第一章简介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品中包含热分析功能,其中 ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 三、ANSYS 热分析分类 ?稳态传热：系统的温度场不随时间变化 ?瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化 四、耦合分析 ?热－结构耦合 ?热－流体耦合 ?热－电耦合 ?热－磁耦合 ?热－电－磁－结构耦合等
第二章 基础知识 一、符号与单位 W/m 2-℃ 二、传热学经典理论回顾 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〕 式中: Q —— 热量; W —— 作功; ?U ——系统内能; ?KE ——系统动能； ?PE ——系统势能； ● 对于大多数工程传热问题：0＝＝PE KE ??； ● 通常考虑没有做功：0=W , 则：U Q ?=； ● 对于稳态热分析：0=?=U Q ，即流入系统的热量等于流出的热量； ● 对于瞬态热分析：dt dU q = ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 三、热传递的方式 1、热传导 热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：dx dT k q -=''，式中''q 为热流密度（W/m 2），k 为导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。 2、热对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量
第四版传热学第五章答案
第五章 复习题 1、试用简明的语言说明热边界层的概念。 答：在壁面附近的一个薄层内，流体温度在壁面的法线方向上发生剧烈变化，而在此薄层之外，流体的温度梯度几乎为零，固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层或热边界层。 2、与完全的能量方程相比，边界层能量方程最重要的特点是什么？ 答：与完全的能量方程相比，它忽略了主流方向温度的次变化率σα22 x A ，因此仅 适用于边界层内，不适用整个流体。 3、式（5—4）与导热问题的第三类边界条件式（2—17）有什么区别？ 答： =???- =y y t t h λ（5—4） )()( f w t t h h t -=??-λ （2—11） 式（5—4）中的h 是未知量，而式（2—17）中的h 是作为已知的边界条件给出，此外（2—17）中的λ为固体导热系数而此式为流体导热系数，式（5—4）将用来导出一个包括h 的无量纲数，只是局部表面传热系数，而整个换热表面的表面系数应该把牛顿冷却公式应用到整个表面而得出。 4、式（5—4）表面，在边界上垂直壁面的热量传递完全依靠导热，那么在对流换热中，流体的流动起什么作用？ 答：固体表面所形成的边界层的厚度除了与流体的粘性有关外还与主流区的速度有关，流动速度越大，边界层越薄，因此导热的热阻也就越小，因此起到影响传热大小 5、对流换热问题完整的数字描述应包括什么内容？既然对大多数实际对流传热问题尚无法求得其精确解，那么建立对流换热问题的数字描述有什么意义？ 答：对流换热问题完整的数字描述应包括：对流换热微分方程组及定解条件，定解条件包括，（1）初始条件 （2）边界条件 （速度、压力及温度）建立对流换热问题的数字描述目的在于找出影响对流换热中各物理量之间的相互制约关系，每一种关系都必须满足动量，能量和质量守恒关系，避免在研究遗漏某种物理因素。 基本概念与定性分析 5-1 、对于流体外标平板的流动，试用数量级分析的方法，从动量方程引出边界层厚度 的如下变化关系式： x x Re 1 ~δ 解：对于流体外标平板的流动，其动量方程为：
SolidWorks_热分析
白皮书热分析 inspiration 摘要 在本白皮书中，我们针对产品设计有关的热分析概念进行了定义和概要 阐述。我们以实际产品为例，对传导、对流和辐射的原理进行了讨论。我 们还将阐释开展热分析的方式和方法，特别介绍如何使用设计验证软件 来模拟热力环境。同时，我们还将列出热力设计验证软件所需具备的功 能，并通过实例展示如何使用SolidWorks 产品来解决设计难题。
热分析简介 20 世纪90 年代，为了降低产品开发所需的成本和时间，传统的原型制造和测试在很大程度上已被模拟驱动的设计流程所取代。有了这一流程，工程师对昂贵而又耗时的物理原型的需求大大减少，只需使用易于修改的计算机模型即可成功预测产品的性能（图1）。 设计流程的变化 传统的产品模拟驱动的产品 设计流程设计流程 设计CAD 模拟 多次只需一次！ 原型制造原型制造 多次只需一次！ 测试测试 生产生产 图1： 传统产品设计流程与模拟驱动的产品设计流程 在研究缺陷、变形、应力或自然频率等结构问题时，设计验证工具的价值是不可估量的。但是，新产品的结构性能仅仅是设计工程师所面临的诸多难题之一。还有许多其他常见问题是与热力相关的，其中包括过热、缺乏尺寸稳定性、过高的热应力，以及与产品的热流和热力特征相关的其他难题。热力问题在电子产品中普遍存在。在设计冷却扇和散热器时，必须权衡小体积与足够的散热能力这两方面的需求。同时，紧凑的组装还必须确保空气的充分流动，以防印刷电路板在过高的热应力下变形或断裂（图2）。 图2： 要进行电子封装，需要对如何排出电子零部件所产生的热量进行仔细分析。
在传统的机器设计中，也大量存在热力问题。有很多产品必须进行温度、散热 和热应力分析，其中一些十分明显的示例包括：引擎、液压缸、电机或电动泵。 简而言之，任何消耗能量来执行某种实用工作的机器都不例外。或许材料加工 机器不太需要进行热分析，但这些机器的机械能转化成热能，不仅影响机器零 件还影响机器本身。这种情况不仅存在于精密的机器设备中，还存在于破碎机 等大功率机器中。在精密机器设备中，热膨胀可能影响切割工具的尺寸稳定性； 在大功率的机器中，零部件可能因高温和热应力而受到损坏（图3）。 图4： 种植牙必须不影响周围组织的热力状况， 而且必须能够承受热应力。 图3： 在设计工业破碎机的传动和载荷时，潜在过热问题是一个十分重要的考虑因素。 这里涉及到的第三个示例，是为了说明大多数医疗设备应该进行热力性能分 析。给药系统必须确保所给药物的温度合适，而手术设备必须确保组织免遭过 度热冲击。同样，体移植物不得干扰体内的热流，而种植牙也必须承受剧烈 的外部机械载荷与热载荷（图4）。 最后，所有的家用电器产品，例如电热炉、电冰箱、搅拌器、电熨斗和咖啡机 （任何需要靠电力才能运行的设备），都应进行热力性能分析以避免过热现象。 这不仅适用于使用交流电源的消费类产品，还适用于由电池供电的设备，例如 遥控玩具和无线电动工具（图5）。 图5： 要对无线工具上的高容量电池进行充分 冷却，就需要对热力状况有所了解。
ANSYS热分析指南
ANSYS热分析指南
目录 第一章简介 (3) 一、热分析的目的 (3) 二、ANSYS的热分析 (3) 三、ANSYS 热分析分类 (4) 四、耦合分析 (4) 第二章基础知识 (5) 一、符号与单位 (5) 二、传热学经典理论回顾 (6) 三、热传递的方式 (7) 1、热传导 (7) 2、热对流 (7) 3、热辐射 (7) 四、稳态传热 (8) 五、瞬态传热 (9) 六、线性与非线性 (9) 七、边界条件、初始条件 (10) 八、热分析误差估计 (10) 第三章稳态传热分析 (11) 一、稳态传热的定义 (11) 二、热分析的单元 (11) 三、ANSYS稳态热分析的基本过程 (12) 1、建模 (12) 2、施加载荷计算 (13) 3、后处理 (20) 实例1： (21) 实例2 (27) 《ANSYS Verification Manual》中关于稳态热分析的实例： (39) 第四章瞬态传热分析 (41) 一、瞬态传热分析的定义 (41) 二、瞬态热分析中的单元及命令 (41) 三、ANSYS 瞬态热分析的主要步骤 (42) 1、建模 (42) 2、加载求解 (43) a、定义分析类型 (43) b、获得瞬态热分析的初始条件 (43) c、设定载荷步选项 (45) 3、后处理 (48) 四、相变问题 (49) 实例1: (51) 实例2: (62) 《ANSYS Verification Manual》中关于瞬态热分析的实例： (70)
第一章简介 一、热分析的目的 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。 热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。 二、ANSYS的热分析 ?在ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产 品中包含热分析功能,其中ANSYS/FLOTRAN不含相变热 分析。 ?ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 ?ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问 题。