热分析概念.docx
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热分析概念
传导
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=-KA（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=-KA（TH-TC）/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：
金属
温度（oK）
103
173
273
373
473
573
673
873
不锈钢
15
17
19
21
25
铅
40
37
36
34
33
32
17（液体）
20（液体）
白金
78
73
72
72
72
73
74
77
锌
124
122
122
117
110
106
100
60（液体）
硅
856
342
168
112
82
66
54
38
对流
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的实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=hA（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。
在下图中，在热盘上强迫扩散空气。
对流传热系数
牛顿冷却定律提出：
热量离开温度为Ts的表面进入温度为Tf的周围流体的传热速率由以下方程式计算：
Q对流=hA（Ts-Tf）
其中传热系数h的单位是W/m2.K或Btu/s.in2.F。
系数h不是一种热力学属性。
它是流体状态和流动条件的简化关系，因此，通常称之为流动属性。
对流与边界层的概念相关，边界层是在一个假想的靠近静止分子的表面与周围环境中流体的流动之间的一个薄过渡层。
这显示在下图流过平板的流动中。
其中u（x,y）是x方向的速度。
一直到流体层外边线的区域（定义为自由气流速度的99%）称为流体边界层厚度δ（x）。
类似的草图可以由表面温度到周围温度的温度过渡来构成。
温度变化的图解如下图中所示。
请注意，热边界层厚度不一定与流体的边界层厚度相同。
构成Prandtl数控制两种边界层的相对大小。
Prandtl数（Pr）为1将隐含两种边界层的行为相同。
通过边界层传热的实际机制被认为是通过墙壁附近的静止流体在y方向上的传导，它等于从边界层到流体的对流速率。
这可以写成：
hA（Ts-Tf）=-kA（dT/dy）s
因此，给定情况的对流系数可以通过以下方式计算：
测量传热速率和温差，或者测量表面附近的温度梯度和温差。
测量边界层上的温度梯度需要高精确度，一般在算例实验室中完成。
许多手册包含不同配置的对流传热系数的表列值。
下表列出了对流传热系数的一些典型值：
介质
传热系数h（W/m2.K）
空气（自然对流）
5-25
空气/过热蒸汽（强迫对流）
20-300
油（强迫对流）
60-1800
水（强迫对流）
300-6000
水（沸腾）
3000-60,000
蒸汽（冷凝）
6000-120,000
辐射
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、γ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。
热接触阻力
在电流流动和热流动之间模拟很有用，当需要满意地描述两个传导介质的界面上的传热时，这种有用性是显而易见的。
由于机械加工的局限性，当两个固体表面压在一起时，不会永远形成理想接触。
两个接触的表面由于其粗糙性，表面之间始终会存在微小的空气间隙。
通过两个接触面之间的界面，存在两种模式的传热。
第一种是通过固体到固体接触的点的传导传热（Q传导），这种传热非常有效。
第二种是通过填充间隙的空气的传导传热（Q间隙），由于空气的热导率较低，这种传热可能很弱。
为了论述热接触阻力，在两边具有传导介质的一组物体中加上界面传导率hc，如下图所示。
传导率hc与对流传热系数相似，它具有相同的单位（W/m2oK）。
如果∆T是区域A的界面上的温差，则传热速率Q可以由Q=Ahc∆T公式计算。
利用电热模拟，可以写出Q=∆T/Rt，其中Rt是热接触阻力，由Rt=1/（Ahc）公式计算。
界面传导率hc取决于以下因素：
∙接触面的表面粗糙度。
∙每个面的材料。
∙将表面压在一起的压力。
∙两个接触面之间的间隙中的物质。
下表显示了对于正常表面粗糙度和中等接触压力（1到10atm）的界面传导率的一些典型值。
除非指出，否则空气间隙没有抽空：
接触面
传导率（hc）（W/m2oK）
铁/铝
45,000
红铜/红铜
10,000-25,000
铝/铝
2200-12000
不锈钢/不锈钢
2000-3700
不锈钢/不锈钢
（已抽空间隙）
200-1100
陶瓷/陶瓷
500-3000
下表列出了真空条件下金属界面的热接触阻力：
热阻，R热X104（m2.K/W）
接触压力
100kN/m2
10,000kN/m2
不锈钢
6-25
0.7-4.0
红铜
1-10
0.1-0.5
镁
1.5-3.5
0.2-0.4
铝
1.5-5.0
0.2-0.4
热接触阻力-范例
在电子行业中，通常使用薄层环氧树脂来连接芯片和基底。
在其它行业中也会遇到类似情况。
要将环氧树脂层作为单独的零部件来建模，所用的单元大小必须非常小，但这会导致网格化失败或不必要地产生大量单元。
要考虑环氧树脂层导致的热阻影响，不必对它进行建模。
热接触阻力是以曲面到曲面接触条件形式实施的。
您可以指定总热阻率或单位面积热阻率。
对热接触阻力建模
对热接触阻力建模的方法有两种：
∙可以在生成几何体时忽略薄环氧树脂层。
换言之，实际上由薄层分隔的零部件面在模型中将相互接触。
∙可以在生成几何体时考虑薄环氧树脂层。
在这种情况下，热接触面间将存在缝隙。
使用此方法时，需要考虑以下两点：
o当两个接触面之间的距离小于或等于邻近的单元大小时，结果最精确。
下例的结果可能不精确。
o尽管不必要为准确配对热接触而拆分面，但这可以提高精度。
∙要在一个大面与若干个较小的面之间指定不同的热阻，必须先将大面拆分为若干个较小的面，才能为不同的相触面组指定热接触阻力。
要定义热接触阻力：
1.在热力算例中，用右键单击连接
，然后选择相触面组。
屏幕上将出现相触面组PropertyManager。
2.将类型设定为热阻。
3.在组1的面、边线、顶点
中，根据需要选择与一个或多个零部件相关联的实体。
4.在组2的面
中，从另一个零部件选择所需的面。
5.选择热接触阻力，然后执行以下操作：
a.将单位
设定为您要使用的单位体系。
b.选择总和或分布，然后键入一个值。
在高级下，选择节到曲面或曲面到曲面。
节到节选项不允许指定热阻，原因在于相触面的连接节会具有相同的温度（完美传导）。
单击
。
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