内容介绍 在热分析中使用设计验证热传导基本原理 COSMOSWorks热分析能力 COSMOSWorks热分析实际案例

作者: COSMOS 来源: COSMOS
关键字: COSMOS 热传导 实际案例 热分析 

传热原理

　　热传递有三种传热方式。这些方式分别是：传导，对流和辐射。热传导描述一个实体内的热传递，通常是在零件和装配体之间。对流和辐射通常涉及到固体和周围环境的热交换。

图8三种传热机理的主要特点

　　例如，通过热传导热量流过一个墙壁，传导的热量大小与墙壁两端的温度差和墙壁面积A成正比，与墙壁的厚度L成反比，比例因数K，叫做热导率，用来描述材料的导热能力(图9)。

图9热量从温度高的一面传导到另外一面。

　　不同材料的热导率K变化很大；在导体和绝缘体也有很大区别(图10)。

图10不同材料的热导率

　　热量在固体表面和附近移动的流体（或气体）如空气，水蒸汽或油之间的热交换叫做对流。对流热量交换的大小与固体表面温度TS和周围环境温度TF差的大小和热交换的表面积成正比（散热和吸热）。比例因子h叫做对流传热系数。固体表面和气周围环境的热交换需要流体的运动。(图11)。

图11对流产生的热量需要周围的流体运动才能产生。

　　对流系数很大程度上取决于介质（例如.，空气，水蒸汽，水，油）对流的种类分为：自然对流和强迫对流，自然对流只有在重力的情况下才能发生，因为流体的运动而是由于冷热流体的重力差而产生的。而强迫对流与重力的大小无关(图12，13)。

　　图12自然对流由于冷热流体不同的密度产生。强迫对流流体的运动是强迫的，例如风扇。

图13不同材料的对流系数。

图14陶瓷芯片产生热量，放在一个铝质散热片中，散热片周围的介质为空气。

　　为了更好的观察同时考虑热传导和对流的效果，我们来一起看一个散热片(图14)。

　　芯片产生热量，芯片通过热传导在其内部进行热量传递，然后同样通过热传导传递到铝制散热片中.在陶瓷芯片与铝制散热片中的热传导需要克服陶瓷与铝之间的界面缺陷产生的热阻层，最终热量通过对流扩散到散热片周围的空气中。

　　添加一个冷却风扇或者将散热片放入水中，都不会改变热传导的机理，散热片仍然通过对流进行散热，唯一不同的就是作为散热剂的水和空气对流系统数值大小。

　　散热片的温度场如图15所示。散热片的散热可以通过热流向量显示（图15，右）。热流向量离开散热片进入到周围的流体环境中.没有向量通过底部的表面，因为在模型中散热片的底面和芯片都是绝热的。

图15散热片中的温度场分布和热通量

　　我们注意到散热片和陶瓷芯片之间的界面产生的热阻层的建模，在某些设计验证的软件中这个热阻层必须建立模型，而在COSMOSWorks中，我们只需要输入热阻系数就可以实现了，而不需要建立热阻层的模型。

　　目前在这个散热片中热传导的讨论中我们只考虑了传导，对流，辐射中的两个机理，传导（仅仅在实体内部：芯片和散热片）和对流(散热片耗散到环境的空气中的热量).通过辐射的热交换可以忽略，因为在当前散热片的温度条件下，辐射量是非常小的，可以忽略。而在下面一个热传导的例子中的，辐射是不可以忽略的。

　　辐射可以在两个不同温度的物体之间进行也可以将物体的热量辐射到空间。由于辐射在真空中传播，因此不需要任何介质就可以发生辐射。

图16任何两个不同温度的物体通过辐射产生的热交换。而且一个物体也可以将热量辐射到环境中。

　　温度为T1，T2的两个物体间通过辐射产生的热交换大小与两个物体绝对温度的四次方差，参与辐射的表面积大小和辐射表面的发散率（辐射能力）成正比，辐射表面的发射率可以定义成在同一温度下表面的发射功率与黑体的发射功率之比。材料指定的发射率值介于0和1.0之间。因此，黑体的发射率为1.0，理想反射体的发射率为0。由于通过辐射产生的热交换与绝对温度的四次方成正比，因此对于高温的热分析，辐射就显得非常重要。

　　一个带有真空灯罩的聚光灯，假设真空灯罩足够大，从真空罩反射回聚光灯泡的热量可以被忽略，灯泡和反射器都是在真空环境中，而铝制灯罩的外表面则暴露在空气中。(图17).

图17聚光灯模型中，反射面和灯泡都是在真空环境中，反射罩的外表面暴露在空气中。

　　灯泡产生的热量一部分辐射到空间，另一部分则辐射到反射器中，只有一小部分热量在灯泡和灯罩接触的部分通过热传导传递到灯罩中，辐射到灯罩的热量又被分为两部分T：一部分辐直接射掉，另一部分由反射面通过热传导传递到接触空气的外表面，然后通过对流耗散到空气中。

　　分析结果显示灯罩的温度比较均匀，因为铝的传导率很高，因此热量可以很好的在灯罩中进行传导。(图18)

图18聚光灯中温度的分布

　　注意，辐射只在高温才会显得比较重要。灯泡必须由足够高的温度才能辐射热量。

瞬态热分析

　　散热片和聚光灯的分析都是属于稳态问题，都是建立在有足够的时间使得热量趋于稳定，稳态热传导与热量趋于稳定的时间的长短有关，有可能是几秒，几个小时或者几天。

　　热量、温度随着时间的改变而改变的分析属于静态热分析问题，例如由一个有加热器加热的咖啡壶。加热器的温度由咖啡温度调节器（恒温器）所控制，当咖啡的温度低于设定最低温度的时候，恒温器就会打开，让咖啡温度高于设定的最高温度的时候恒温器就会关闭，如图19所示温度范围会随着时间的变化在某个范围内摆动。

图19热分析的结果可以直接输入到结构分析模块进行热盈利分析。

热应力

　　固体的温度会随着热量的传递改变，当温度改变的时候，就会伴随发生热涨和冷缩。由于热涨和冷缩而产生的应力叫做热应力。

　　当往一个杯子中倒入热咖啡时就会产生热应力，这样的热应力分析需要确定温度的分布；杯子的内表面温度就是咖啡的温度，而外表面则通过自定义的对流系数向外界空气中散热，由于冷却是个相对较慢的过程，因此可以通过一个稳态热分析可以获得杯子的温度分布。温度的差异性会导致热应力，当我们使用COSMOSWorks的热分析的结果就可以建立一个静态算例获得杯子的热应力分布。(图20)

　　图20通过稳态热分析可以获得杯子不同位置的温度分布，（左）建立一个结构分析得到相应的应力分布（右）

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