有限元技術在熱分析中的應用

熱分析用於計算一個系統或者部件的溫度分布及其他物理參數，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱通量）等。採用有限元方法進行熱分析計算，一般採用能量守恆原理的熱平衡方程，用有限元法計算物體內部各節點的溫度，並導出其他熱物理參數。一般的有限元熱分析軟體可以進行熱傳導、熱對流、熱輻射等問題的分析求解。

        1、熱分析常用的三類邊界條件

        第一類邊界條件：物體邊界上的溫度函數已知；

        第二類邊界條件：物體邊界上的熱流密度已知；

        第三類邊界條件：與物體相接觸的流體介質的溫度和換熱係數已知。

        初始條件：傳熱過程開始時，物體在整個區域中所具有的溫度為已知值。

        2、熱分析的三種熱傳遞方式

        熱傳導：兩個良好接觸的物體之間的能量交換或一個物體內由於溫度梯度引起的內部能量交換。當物體內部存在溫差，即存在溫度梯度時，熱量從物體的高溫部分傳遞到低溫部分；而且不同溫度的物體相互接觸時熱量會從高溫物體傳遞到低溫物體。熱傳導計算公式（為導熱係數）：

        熱對流：由於流體的宏觀運動，從而流體的各部分之間發生相對位移、冷熱流體相互摻混所引起的熱傳遞過程。固體的表面與它周圍接觸的液體或氣體（統稱流體）之間，由於溫差引起熱量交換。對流換熱計算公式：

        高溫物體表面常常發生對流現象，這是因為高溫物體表面附近的空氣因受熱而膨脹，密度降低並向上流動。與此同時，密度較大的冷空氣下降並代替原來的受熱空氣。熱對流可以分為兩類：自然對流和強制對流。

        熱輻射：一個物體或兩個物體之間通過電磁波進行的能量交換。熱輻射是物體發射電磁能，並被其他物體吸收轉變為熱能的熱量交換過程。物體溫度越高，單位時間輻射的熱量越多。熱傳導和熱輻射均需要有傳熱介質，而熱輻射無須任何介質。

        3、熱分析類型

        穩態熱分析：如果系統的淨熱流率為0，即流入系統的熱量加上系統自身產生的熱量等於流出系統的熱量，則系統處於熱穩態。在穩態熱分析中任一節點的溫度都不隨時間變化。

        

瞬態熱分析：瞬態傳熱過程一般是指一個系統的加熱或冷卻過程。在這個過程中，系統的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統內能隨時間都有明顯變化。

        另外，熱分析還分析線性及非線性傳熱分析，如果材料熱性能或邊界條件隨溫度變化，或者是考慮輻射傳熱等都會使得熱分析成為非線性分析。

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