ANSYS热分析表面效应单元.docx
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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。
ANSYS5.7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《ANSYSElementReference》。
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《ANSYSTheoryReference》。
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《ANSYSTheoryReference》。
选定单元：
命令：
ET
GUI：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>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
Planewiththickness：
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>MeshingAttributes>DefaultAttribs
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>MeshLines/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>SurfEffect
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>onfreeSURF，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
SURF1512-D热表面单元
SURF1523-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：
UtilityMenu>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8.5BTU/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“UtilityMenu>File>ChangeTitle”，输入HEATSINK1。
2、选择“UtilityMenu>File>Changetitle”，输入HeatconvectionusingSURF151ignoringradiation。
5.9.2.2定义参数变量
1、选择“UtilityMenu>Parameters>scalarparamaters”，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“MainMenu：
>Preprocessor>ElementType>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“Midsidenodes”设置为Exclude；“Extranode”设置为Include；“Heatfluxandconvectloads”设置为HfataverageT。
5.9.2.4定义定义材料属性
1、选择“MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels”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“MainMenu>Preprocessor>Create>Keypoint>InActiveCS”，创建8个关键点。
关键点的编号及坐标如下：
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
X
0
0
0
Tbot/2
Tbot/2
Ttop/2
Fspc/2
Fspc/2
Y
0
base
hgt
0
base
hgt
0
base
2、选择“MainMenu>Preprocessor>Create>Area>Arbitrary>ThroughKPs”，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“UtilityMenu>WorkPlane> LocalCoordinatesystem>CreateLocalCS>AtSpecifiedLoc”，输入fspc/2,0,0创建局部坐标。
4、选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area，Pickall，onY-Zplane”，映射面。
5、选择“MainMenu>Preprocessor>NumberingContrls>MergeItems”，选择Keypoints。
6、选择“MainMenu>Preprocessor>Copy>Area”，点击Pickall，在numberofcopied中输入5，xoffset中输入fspc。
7、选择“UtilityMenu>WorkPlane> LocalCoordinatesystem>CreateLocalCS>AtSpecifiedLoc”，输入5*fspc,0,0创建局部坐标。
8、选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area”，输入28,29,30，onY-Zplane映射面。
9、选择“MainMenu>Preprocessor>NumberingContrls>MergeItems”，选择Keypoints。
10、选择“UtilityMenu>WorkPlane>ChangeActiveCS>ToGlobalCartesian”，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“UtilityMenu>Select>Entities>Line>Exterior，FromFull,Apply”；
选择“UtilityMenu>Select>Entities>Line>Bylocation，Ycoordinate”，输入base+0.1，hgt-0.1，选择reselect，Apply；
选择“UtilityMenu：
>Select>Entities>Line>Bylocation，Xcoordinate”，输入0，选择Unselect；
选择“MainMenu>Define>AllLines>”，选择材料为2，单元类型为2；
2、选择最右边的线：
选择“UtilityMenu>Select>Entities>Line>Bylocation，Xcoordinate”，输入5.5*fspc，FromFull；
选择“MainMenu>Define>AllLines”，选择材料为3，单元类型为2；
3、选择冷却栅根部的线：
选择“UtilityMenu>Select>Entities>Line>Exterior，FromFull，Apply”；
选择“UtilityMenu>Select>Entities>Line>Bylocation，Ycoordinate”，输入base，Reselect，OK；
选择“MainMenu>Define>AllLines>”，选择材料为4，单元类型为2；
4、选择顶部的线：
选择“UtilityMenu>Select>Entities>Line>Bylocation，Ycoordinate”，输入hgt，FromFull，OK；
选择“MainMenu>Define>AllLines”，选择材料为5，单元类型为2；
5、选择“UtilityMenu>Select>SelectEverything”，选择所有项目。
5.9.2.7划分热单元网格
选择“MainMenu>Meshtool”，设定globalsize为ttop*0.9，选择mapped，点击meshall。
5.9.2.8创建孤立节点
1、选择“UtilityMenu>Parameter>GetScalarData>ModelData>ForSelectedSet”，点击OK，选择CurrentNodeSet，Highestnodenum，输入NN得到最大节点编号。
2、选择“MainMenu>Preprocessor>Create>Node>OnActiveCS”，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“UtilityMenu>Select>Entities>Line>Byattribute>
Material”，输入2，Fromfull，Apply。
选择线上的节点，选择“UtilityMenu>Select>Entities>Node>Attachedto>Lineall，FromFull”，点击Apply；选择，ByNum/Pick，AlsoSelect，点击OK。
定义单元属性，选择“MainMenu：
>Preprocessor>Create>Element>ElemAttribute”，选择单元类型为2，材料编号为2。
生成表面单元，选择“UtilityMenu>MainMenu>Preprocessor>Create>Element>SurfEffect>ExtraNode”，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“UtilityMenu>Select>Entities>Line>Byattribute>
Material”，输入2，Fromfull，Apply。
选择线上的节点，选择“UtilityMenu>Select>Entities>Node>Attachedto>Lineall，FromFull”，点击Apply；选择，ByNum/Pick，AlsoSelect，点击OK。
定义单元属性，选择“MainMenu：
>Preprocessor>Create>Element>ElemAttribute”，选择单元类型为2，材料编号为3。
生成表面单元，选择“UtilityMenu>MainMenu>Preprocessor>Create>Element>SurfEffect>ExtraNode”，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“UtilityMenu>Select>Entities>Line>Byattribute>
Material”，输入4，Fromfull，Apply。
选择线上的节点，选择“UtilityMenu>Select>Entities>Node>Attachedto>Lineall，FromFull”，点击Apply；选择，ByNum/Pick，AlsoSelect，点击OK。
定义单元属性，选择“MainMenu：
>Preprocessor>Create>Element>ElemAttribute”，选择单元类型为2，材料编号为4。
生成表面单元，选择“UtilityMenu>MainMenu>Preprocessor>Create>Element>SurfEffect>ExtraNode”，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“UtilityMenu>Select>Entities>Line>Byattribute>
Material”，输入5，Fromfull，Apply。
选择线上的节点，选择“UtilityMenu>Select>Entities>Node>Attachedto>Lineall，FromFull”，点击Apply；选择，ByNum/Pick，AlsoSelect，点击OK。
定义单元属性，选择“MainMenu：
>Preprocessor>Create>Element>ElemAttribute”，选择单元类型为2，材料编号为5。
生成表面单元，选择“UtilityMenu>MainMenu>Preprocessor>Create>Element>SurfEffect>ExtraNode”，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“UtilityMenu>Select>Entities>Node>ByLocation，ycoordinate”，输入0，FromFull，点击OK，。
2、选择“MainMenu>Solution>Apply>Heatflux>Onnodes”，点击pickall，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“UtilityMenu>Select>Entities>Element>ByAttribute>
Material”，输入2，FromFull，OK。
2、定义对流系数：
选择“MainMenu>Solution>Apply>Convection>OnElementsUniform”，输入hvert1。
3、选择材料编号为3的单元：
选择“UtilityMenu>Select>Entities>Element>ByAttribute>
Material”，输入3，FromFull，OK。
4、定义对流系数：
选择“MainMenu>Solution>Apply>Convection>OnElementsUniform”，输入hvert2。
5、选择材料编号为4的单元：
选择“UtilityMenu>Select>Entities>Element>ByAttribute>
Material”，输入4，FromFull，OK。
6、定义对流系数：
选择“MainMenu>Solution>Apply>Convection>OnElementsUniform”，输入hhorz1。
7、选择材料编号为5的单元：
选择“UtilityMenu>Select>Entities>Element>ByAttribute>
Material”，输入5，FromFull，OK。
8、定义对流系数：
选择“MainMenu>Solution>Apply>Convection>OnElementsUniform”，输入hhorz2。
9、选择“UtilityMenu>Select>SelectEverything”。
10、定义附加节点的温度（bulktemperature）：
选择“UtilityMenu>Select>SelectEverything”。
.9.2.12求解
选择“MainMenu>Solution>CurrentLS”。
5.9.2.13列出冷却栅与空气间的热流
选择“MainMenu>GeneralPost>ListResult>ReactionSolu”。
5.9.2.14显示冷却栅的温度分布
1、选择“UtilityMenu>Select>Entities>Node>ByNum/Pick，Unselect”，输入NN+1，点取工具条POWRGRPH，选择OFF。
2、选择“MainMenu>GeneralPost>PlotResult>NodalResult>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“UtilityMenu>Select>Entities>Element>ByAttributes>
ElementType”，输入2，FromFull。
2、定义单元表，得到各单元平均温度：
选择“MainMenu：
>GeneralPost>ElementTable>DefineTable>Add”，输入tavg，选择Bysenquencenum，nmisc，输入6。
3、求和：
选择“MainMenu：
>GeneralPost>ElementTable>sumofeachitem”。
4、附于变量TAVG：
选择“Utility Menu>Parameter>GetScalarData>Resultdata>ElemTableSum”，输入变量名TAVG。
5、得到单元总数：
选择“UtilityMenu：
>Parameter>GetScalarData>Model data>ForSelectedset>CurrentElementset>NumberofElem’s”，输入NE。
6、输入tavg=tavg/ne。
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