Abaqus 传热与热应力分析(3) – 对流换热

传热通常可以分为三种模式：热传导（conduction）、对流换热（convection）和热辐射（radiation）。

1. 对流换热

对流换热是表面和运动流体（气体或液体）之间的热能传递方式。这种传热过程通常发生在液体或气体中，例如空气流经热交换器管道时，或者液体流经散热器时。

对流换热的热通量 (heat flux) 可以使用牛顿冷却定律来描述，其取决于表面温度与流体或环境温度之间的温差，以及对流换热系数：

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其中：

q – 热通量，（W/m^2）；

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– 对流传热系数，（W/m^2/K）；

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– 表面温度，（K）；

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– 流体或环境温度，（K）；

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– 传热速率，（W）；

A – 面积，（m^2）；

对流传热系数是一个经验值，它取决于流动材料的特性（密度、粘度等）和流动行为（层流、湍流、可压缩或不可压缩等）。当无法获得解析解时，值通常从计算流体动力学 (CFD) 或实验数据中获得。

1.1 沿管的对流换热（一维层流）

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一维层流示意图

流体温度可以被认为是取决于给定横截面处的速度分布的加权平均温度。

对于实验设置，q 是已知的，是估算的。从设计角度来看，是已知的，要么在已知 q 时估计温度下降，要么在已知温度时估计热损失。

2. Abaqus中对流换热条件设置

在 Abaqus 中，对流换热在 Interaction 模块设置。对于实体单元，可作用于面；对于壳单元，可作用于面或线；对于梁单元，可作用于线。

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创建对流换热

其中：

1）Definition：选择定义对流换热系数的方式。

2）Sink definition：选择定义流体或环境温度的方式。

2.1 定义对流换热系数

定义对流换热系数有四种方式：Embedded Coefficient、Property Reference、User-defined、解析场。

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对流换热设置方式

1）当对流换热系数是常数或与时间相关时，使用 Embedded Coefficient。

2）当对流换热系数是常数或与温度、场变量相关时，使用 Property Reference，此时需要定义对流换热接触属性。

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对流换热接触属性设置

3）当对流换热系数与表面温度相关或更为复杂时，例如，使用User-defined。此时需要编写 FILM 子程序。

4）当对流换热系数与空间相关时，先定义解析场函数 (Analytical Fields)，然后在 Definition 选项中选择“(A) 函数名”。

2.2 定义流体或环境温度

流体或环境温度的定义可以是常数，也可以与时间相关。对于复杂问题，也可以使用离散场 (Discrete Fields) 定义与单元编号、节点编号相关的温度。此外，当对流换热系数使用 FILM 子程序定义时，流体或环境温度也是 FILM 子程序中的参数。

3. 二维问题对流换热

3.1 几何模型

如图所示模型，在 AB 边界上指定温度 100 ℃，在 CD 和 BC 边界上指定对流换热边界条件。使用 Abaqus 计算模型的温度分布及 E 点的温度曲线。

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几何模型示意图

3.2 计算结果

3.2.1 对流系数和环境温度

在 Abaqus 后处理中可以分别通过查看 SINKTEMP 和 FILMCOEF 结果来检查对流换热条件的参数设置、施加位置是否正确。

如图所示，在CD边界和BC边界上SINKTEMP=0 ℃，FILMCOEF=750 W/m^2/℃，这与前面对流换热条件设置的完全一致。

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SINKTEMP云图

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FILMCOEF云图

3.2.2 温度分布

E 点的解析值是 18.3 ℃，Abaqus 的计算值是 18.34 ℃，E 点的温度曲线如图所示。

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整体模型温度分布

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E点温度曲线