ANSYS辐射仿真模拟实验.docx

0 引言
辐射传热过程是是借助于电磁波的能量传播过程，是由物体内部微观粒子在运动状态 改变时所激发出来的。由于辐射传热引起的热流与物体表面热力学温度的 4 次方成正比， 因此辐射传热分析是高度非线性的。借助于温度场数值模拟仿真技术，可以了0 引言
辐射传热过程是是借助于电磁波的能量传播过程，是由物体内部微观粒子在运动状态 改变时所激发出来的。由于辐射传热引起的热流与物体表面热力学温度的 4 次方成正比， 因此辐射传热分析是高度非线性的。借助于温度场数值模拟仿真技术，可以了解研究热辐 射规律，对于炉内传热的合理设计十分重要，对于高温炉操作工的劳动保护也有积极 意义。
本文基于大型有限元软件ANSYS对辐射传热过程温度场模拟仿真，随着ANSYS版本不 断更新，核心技术不断完善，其稳态瞬态热分析、辐射热分析、相变分析、热应力分析和流 体热分析功能不断强大，更能显示其计算精度与计算速度的良好兼顾性。
1 辐射传热过程温度场模拟仿真
研究对象
本文研究的同轴圆柱体尺寸如图所示：
图 1 研究模型
基本假设
在复杂的辐射传热过程实际条件下，抓住主要方面模拟实验情况，做一些合理化的假设
但同时又能保证其结果的准确性。本文做如下假设：
1)由于两个圆柱体足够长，将问题简化为平面问题；
2)考虑到整个辐射传热过程为封闭系统，不需设置空间节点。

假设圆柱体是瞬时传热的。圆柱体为已知初始均匀温度场，即:
T(x,y,z,t=0)=T
T为圆柱体温度，即100°C.
边界条件：
传热是在圆柱体内径行的的，所以把外圆柱体当做边界条件。
外圆柱体的初始温度：ioo°c
辐射率:1
两圆柱体的辐射传热用New ton冷却定律描述：
9=«(7}-7；) (2)
式中:a为对流换热系数，a =65 W/m2 ・°C;Tf为液态金属的特征温度;Tw为砂型边界 温度。
辐射传热后，两圆柱体之间的导热主要以不稳定导热方式进行。三维不稳定热传导方程 为：
式中：p为密度，kg/m3;c为定压比热容，J/(kg・C); t为温度,C;T为时间，s;入 为热导率，W/(m ・C);Q为内热源密度(此处为金属液凝固时释放的潜热)，W/m3。
因为整个辐射传热过程为封闭系统，所以不必考虑两圆柱体与外界的传热。
材料性能参数
材料性能参数
密度P1
密度p 2
导热系数K1
导热系数K2
比热容Cl
比热容C2
(kg/m3)
(kg/m3)
W/(m ・°C)
W/(m ・C)
J/(kg •C)
J/(kg •C)
7800
2700
70
30
460
320
建立 ANSYS 有限元模型
根据圆柱体结构特征，定义其 ANSYS 单元类型为 Thermal Solid 实体单元;而后采用 ANSYS中的实体建模工具构建其模型，建模完毕对铸件局部采用映射(Mapped)方式网格剖 分。其他部分则利用智能网格划分器自由剖分，以达到所需部位网格细化的目的，从而兼顾 计算精度和运算速度。铸件划分网格后的有限元模型如图2 所示。
图 2. 划分网格
加载求解
指定分析类型为Steady-state;先作稳态分析，确定