COSMOS在熱分析中使用設計驗證

2013-06-08 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

內(nèi)容介紹在熱分析中使用設計驗證熱傳導基本原理 COSMOSWorks熱分析能力 COSMOSWorks熱分析實際案例

作者: COSMOS 來源: COSMOS
關鍵字: COSMOS 熱傳導實際案例熱分析

傳熱原理

熱傳遞有三種傳熱方式。這些方式分別是:傳導,對流和輻射。熱傳導描述一個實體內(nèi)的熱傳遞,通常是在零件和裝配體之間。對流和輻射通常涉及到固體和周圍環(huán)境的熱交換。

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圖8三種傳熱機理的主要特點

例如,通過熱傳導熱量流過一個墻壁,傳導的熱量大小與墻壁兩端的溫度差和墻壁面積A成正比,與墻壁的厚度L成反比,比例因數(shù)K,叫做熱導率,用來描述材料的導熱能力(圖9)。

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圖9熱量從溫度高的一面?zhèn)鲗У搅硗庖幻妗?/P>

不同材料的熱導率K變化很大;在導體和絕緣體也有很大區(qū)別(圖10)。

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圖10不同材料的熱導率

熱量在固體表面和附近移動的流體(或氣體)如空氣,水蒸汽或油之間的熱交換叫做對流。對流熱量交換的大小與固體表面溫度TS和周圍環(huán)境溫度TF差的大小和熱交換的表面積成正比(散熱和吸熱)。比例因子h叫做對流傳熱系數(shù)。固體表面和氣周圍環(huán)境的熱交換需要流體的運動。(圖11)。

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圖11對流產(chǎn)生的熱量需要周圍的流體運動才能產(chǎn)生。

對流系數(shù)很大程度上取決于介質(zhì)(例如.,空氣,水蒸汽,水,油)對流的種類分為:自然對流和強迫對流,自然對流只有在重力的情況下才能發(fā)生,因為流體的運動而是由于冷熱流體的重力差而產(chǎn)生的。而強迫對流與重力的大小無關(圖12,13)。

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圖12自然對流由于冷熱流體不同的密度產(chǎn)生。強迫對流流體的運動是強迫的,例如風扇。

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圖13不同材料的對流系數(shù)。

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圖14陶瓷芯片產(chǎn)生熱量,放在一個鋁質(zhì)散熱片中,散熱片周圍的介質(zhì)為空氣。

為了更好的觀察同時考慮熱傳導和對流的效果,我們來一起看一個散熱片(圖14)。

芯片產(chǎn)生熱量,芯片通過熱傳導在其內(nèi)部進行熱量傳遞,然后同樣通過熱傳導傳遞到鋁制散熱片中.在陶瓷芯片與鋁制散熱片中的熱傳導需要克服陶瓷與鋁之間的界面缺陷產(chǎn)生的熱阻層,最終熱量通過對流擴散到散熱片周圍的空氣中。

添加一個冷卻風扇或者將散熱片放入水中,都不會改變熱傳導的機理,散熱片仍然通過對流進行散熱,唯一不同的就是作為散熱劑的水和空氣對流系統(tǒng)數(shù)值大小。

散熱片的溫度場如圖15所示。散熱片的散熱可以通過熱流向量顯示(圖15,右)。熱流向量離開散熱片進入到周圍的流體環(huán)境中.沒有向量通過底部的表面,因為在模型中散熱片的底面和芯片都是絕熱的。

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圖15散熱片中的溫度場分布和熱通量

我們注意到散熱片和陶瓷芯片之間的界面產(chǎn)生的熱阻層的建模,在某些設計驗證的軟件中這個熱阻層必須建立模型,而在COSMOSWorks中,我們只需要輸入熱阻系數(shù)就可以實現(xiàn)了,而不需要建立熱阻層的模型。

目前在這個散熱片中熱傳導的討論中我們只考慮了傳導,對流,輻射中的兩個機理,傳導(僅僅在實體內(nèi)部:芯片和散熱片)和對流(散熱片耗散到環(huán)境的空氣中的熱量).通過輻射的熱交換可以忽略,因為在當前散熱片的溫度條件下,輻射量是非常小的,可以忽略。而在下面一個熱傳導的例子中的,輻射是不可以忽略的。

輻射可以在兩個不同溫度的物體之間進行也可以將物體的熱量輻射到空間。由于輻射在真空中傳播,因此不需要任何介質(zhì)就可以發(fā)生輻射。

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圖16任何兩個不同溫度的物體通過輻射產(chǎn)生的熱交換。而且一個物體也可以將熱量輻射到環(huán)境中。

溫度為T1,T2的兩個物體間通過輻射產(chǎn)生的熱交換大小與兩個物體絕對溫度的四次方差,參與輻射的表面積大小和輻射表面的發(fā)散率(輻射能力)成正比,輻射表面的發(fā)射率可以定義成在同一溫度下表面的發(fā)射功率與黑體的發(fā)射功率之比。材料指定的發(fā)射率值介于0和1.0之間。因此,黑體的發(fā)射率為1.0,理想反射體的發(fā)射率為0。由于通過輻射產(chǎn)生的熱交換與絕對溫度的四次方成正比,因此對于高溫的熱分析,輻射就顯得非常重要。

一個帶有真空燈罩的聚光燈,假設真空燈罩足夠大,從真空罩反射回聚光燈泡的熱量可以被忽略,燈泡和反射器都是在真空環(huán)境中,而鋁制燈罩的外表面則暴露在空氣中。(圖17).

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圖17聚光燈模型中,反射面和燈泡都是在真空環(huán)境中,反射罩的外表面暴露在空氣中。

燈泡產(chǎn)生的熱量一部分輻射到空間,另一部分則輻射到反射器中,只有一小部分熱量在燈泡和燈罩接觸的部分通過熱傳導傳遞到燈罩中,輻射到燈罩的熱量又被分為兩部分T:一部分輻直接射掉,另一部分由反射面通過熱傳導傳遞到接觸空氣的外表面,然后通過對流耗散到空氣中。

分析結(jié)果顯示燈罩的溫度比較均勻,因為鋁的傳導率很高,因此熱量可以很好的在燈罩中進行傳導。(圖18)

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圖18聚光燈中溫度的分布

注意,輻射只在高溫才會顯得比較重要。燈泡必須由足夠高的溫度才能輻射熱量。

瞬態(tài)熱分析

散熱片和聚光燈的分析都是屬于穩(wěn)態(tài)問題,都是建立在有足夠的時間使得熱量趨于穩(wěn)定,穩(wěn)態(tài)熱傳導與熱量趨于穩(wěn)定的時間的長短有關,有可能是幾秒,幾個小時或者幾天。

熱量、溫度隨著時間的改變而改變的分析屬于靜態(tài)熱分析問題,例如由一個有加熱器加熱的咖啡壺。加熱器的溫度由咖啡溫度調(diào)節(jié)器(恒溫器)所控制,當咖啡的溫度低于設定最低溫度的時候,恒溫器就會打開,讓咖啡溫度高于設定的最高溫度的時候恒溫器就會關閉,如圖19所示溫度范圍會隨著時間的變化在某個范圍內(nèi)擺動。

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圖19熱分析的結(jié)果可以直接輸入到結(jié)構(gòu)分析模塊進行熱盈利分析。

熱應力

固體的溫度會隨著熱量的傳遞改變,當溫度改變的時候,就會伴隨發(fā)生熱漲和冷縮。由于熱漲和冷縮而產(chǎn)生的應力叫做熱應力。

當往一個杯子中倒入熱咖啡時就會產(chǎn)生熱應力,這樣的熱應力分析需要確定溫度的分布;杯子的內(nèi)表面溫度就是咖啡的溫度,而外表面則通過自定義的對流系數(shù)向外界空氣中散熱,由于冷卻是個相對較慢的過程,因此可以通過一個穩(wěn)態(tài)熱分析可以獲得杯子的溫度分布。溫度的差異性會導致熱應力,當我們使用COSMOSWorks的熱分析的結(jié)果就可以建立一個靜態(tài)算例獲得杯子的熱應力分布。(圖20)

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