热传递方式-ANSYS 15.0有限元分析从入门到精通

（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。热传导遵循傅里叶定律：。

式中，q"为热流密度（W/m²），k为热导系数（W/（m·K）），“-”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的交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程来描述：q"=h（T_s−T_B）。

式中，h为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等），T_s为固体表面的温度，T_B为周围流体的温度。

（3）热辐射

热辐射指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上，在真空中的热辐射效率最高。

在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬-波尔兹曼方程来计算：

式中，q为热流率；ε为辐射率（黑度）；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，约为5.67×10−8W/m²•K⁴；A₁为辐射面1的面积；F₁₂为由辐射面1到辐射面2的形状系数；T₁为辐射面1的热力学温度；T₂为辐射面2的热力学温度。(www.xing528.com)

由上式可以看出，包含热辐射的热分析是高度非线性的。

（4）稳态传热

如果系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q_流入+q_生成+q_流出=0，则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）：

式中，[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；为节点温度向量；为节点热流率向量，包含热生成。

ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[K]、以及。

（5）瞬态传热

瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）：

式中，[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；[C]为比热矩阵，考虑系统内能的增加；[T]为节点温度向量；为温度对时间的导数；为节点热流率向量，包含热生成。