一分钟了解稳态热分析&瞬态热分析

热分析技术的深入解析与实践应用


引言

热分析作为工程中不可或缺的分支，主要应用于计算系统或部件的温度分布、热量获取或损失、热梯度与热流密度等物理参数，对内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等多个领域的设计与优化至关重要。其基础理论包括热传导、热对流与热辐射三种传热机制，依据传热机理的不同分析系统的温度场如何随时间或保持稳定。




集热与传热机制

热传导：表示为在完全接触或非接触条件下，介质间或内部各部分由于温度梯度引起的内能交换。遵循傅里叶定律，示以温度梯度与热通量正比。

热对流：发生于固体表面与周围流体间的热交换，基于流体与固体表面间存在温差。热对流包含自然对流与强制对流两种形式。

热辐射：涉及物体间通过电磁波进行的热量交换，在真空环境下效率最高。辐射的数量与温度的四次方成正比，遵从斯蒂芬玻尔兹曼定律。

稳态与瞬态热分析对比

稳态热分析：针对温度场不随时间变化的系统，通过矩阵形式表示的能量平衡方程（考虑热传导、对流与辐射系数及系统热生成），确保流入与流出热流量总和为零。

瞬态热分析：适用于温度场随时间有明显变化的系统，应用能量守恒定律衍生瞬态热平衡方程，考虑系统内能的增加与热量交换的动态过程，分析步骤的设定包括边界条件、载荷与网格划分等参数选择。

单轴直杆热分析案例


稳态热分析流程：

1. 问题描述：考虑无对流与辐射条件下，热流率从一端流入、从另一端流出的直杆模型，假设直杆为铝合金材质，导热系数 \(k\) 为 100W/(m·°C)。

2. 解析解：通过能量守恒原理与傅里叶定律建立控制微分方程，利用边界条件与热传递参数，求解温度分布等物理量。解析解得到温度分布函数 \(T(x) = 60  100x\)、热流密度 \(q(x) = 10^4\)W/m²。

3. 有限元解：采用稳态热分析模块，定义材料属性、设置分析步骤，施加边界与载荷条件，构建网格模型。有限元结果通过计算验证与解析解的匹配性，确保模型的精确性。

瞬态热分析流程：

1. 问题描述与有限元解：在稳态分析的基础上，考虑直杆温度场随时间变化的特性，引入密度与比热容参数作为稳态热分析的补充。通过分析步设置、载荷定义、初始温度场施加与网格划分，模拟和计算温度分布随时间的变化曲线。