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ANSYS
热分析指南
(
第五章
)
第五章
表面效应单元
5.1
简介
表面效应单元类似一层皮肤，覆盖在实体单元的表面。它利用实体表面的节
点形成单元。
因此，表面效应单元不增加节点数量（孤立节点除外），只增加单
元数量。
ANSYS 5.7
中热分析专用表面效应单元为
SURF151(2-D)
以及
SRU
F152(3-D)
。
有关单元的详细描述请参阅《
ANSYS Element Reference
》。
5.2
表面效应单元在热分析中的应用
利用表面效应单元可更加灵活地定义表面热载荷：
当热流密度和热对流边界条件同时施加于同一表面时，
必须将其中一个施加
于实体单元表面，
另一个施加在表面效应单元。
建议将热对流边界施加于表面效
应单元。
可将热对流边界条件中的流体温度施加于孤立节点上，
将对流系数施加于表
面单元，这样，可更灵活地控制对流载荷。
< br>当对流系数随温度变化时，表面效应单元可提供设置计算对流系数的选项。
表面效应单元还可以用于模拟点与面的辐射传热。
5.3
表面效应单元的有关热分析设置选项
SURF151
是单元可用于多种载荷和表面效应的应用。可以覆盖
在任何二维热
实体单元的表面
(
除轴对
称谐波单元
PLANE75
和
PLAN
E78
外
)
。
该单元可用于二维
热分析，多种载荷和表面效应可以同时存在。
SURF151
单元有
2
到
4
个节点，如
考虑对流传热和辐射的影响需要定义
一个外部节点。
传热量和热对流量以表面载
荷的形式施加在单元
上。详细单元说明请参见《
ANSYS Theory
Reference
》。
SURF1
52
是三维热表面效应单元，可用于多种载荷和表面效应的应用。它可
< br>以覆盖在任何三维热单元的表面，
该单元可用于三维热分析。
该单元中多种载荷
和表面效应可以同时存在。详细单元说明请参见《
ANSYS Theory Reference
》。
选定单元：
命令：
ET
GUI
：
Main
Menu>Preprocessor>Element
Type>Add/Edit/Delete>Options
分析设置选项：
中间节点：
Include
：
keyopt(4)=0
Exclude
：
< br>keyopt(4)=1
如果实体单元为带中间节点的单元，如
Solid90
，则设为
Include
，否则为
Exclude
。
是否有孤立节点：
Exclude
：
Keyopt(5)=0
Include
：
< br>Keyopt(5)=1
如果在表面效应单元上施加热流密度，则为
Exclude
；如果在表面效应单元
上施加热对
流，则可为
Exclude
，也可为
I
nclude
。如果有孤立节点，则对流系
数施加在表面效应单
元上，
流体温度施加在孤立节点上。
如果无孤立节点，
则对
流系数和流体温度都施加在表面效应单元上。
热流密度或对流边界条件：
忽略热流密度和对流边界条件：
Keyopt(8)=0
施加热流密度，忽略对流：
Keyopt(8)=1
根据平均温度（壁面与流体）
(TS
＋
TB)/2
，计算对流系数：
Keyopt(8
)=2
根据固体表面温度
TS
，计算
对流系数：
Keyopt(8)=3
根据流体温度
TB
，计算对流系数：
Keyopt(8)=4
根据固体表面与流体温差｜
TB-
TS
｜，计算对流系数：
Keyopt(8)=5
是否考虑辐射，选择
Exclude
radiation
：
Keyopt(9)=
设置单元行为：
Plane
：
Keyopt(8)=4
Axisymmetric
：
Keyo
pt(8)=4
Plane with
thickness
：
Keyopt(8)=4
图
5-1
面效应单元的选项设置
5.4
表面效应单元的实常数
使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义实常
数。面内厚度在表面效应单元的每个角节点默认为
1
。只有当生
热载荷施加于表
面效应单元时，厚度才有作用，因为生热基于单元体积。其它实常数，在
辐射热
分析或结构分析时设置。
5.5
表面效应单元的材料属性
使用表面效应单元施加对流或热流密度边界条件，一般不需要定义材料属
性，但有一例外：对流系数随温度变化时，最好单独设定一材料编号，定义材料
的对
流系数随温度变化的表。在表面单元上施加对流边界时输入负号及材料编
号。例如“
-
3”。其它材料属性在辐射或结构分析时设置。
< br>
5.6
创建无孤立节点的表面效应单元
划分实体网格
设定表面效应单元的属性
GUI
：
Main>Menu>Preprocessor>Meshin
g Attributes>Default Attribs
一般无需设定表面效应
单元的材料编号，但为了选择、加载及后处理方便，
最好为每组表面单元设置一个唯一的
材料编号。
生成表面单元
第一种方法：直接在相应的线或面上生成网格：
GUI
：
Main>Menu>Preproces
sor> Meshing>Mesh Lines/Area
第二种方法：
选择要生成表面效应单
元的边（
2D
）或面（
3D
）及所属节点；
设定表面效应单元的属性（
TYPE
，
MAT
等）；
创建表面效应单元；
GUI
：
Main>Menu>Prepro
cessor> Modeling>Create>Element> Surf Effect
5.7
创建带孤立节点的表面效应单元
如果在表面效应单元选项设置时，带孤立节点，
Keyopt(
5)=1
，则：
创建孤立节点
GUI
：
Main>Menu>Preprocessor>modeling>cr
eate>nodes
选择要创建表面效应单元的面或线，以及所属节点；
设定单元属性；
创建表面效应单元：
GUI
：
Main>Menu>Preprocessor>modeling
>create> Element>on free
SURF
，
输入关键点编号，
OK
5.8
管流单元热分析
在
ANSYS
中有三个用于管流热分析的单元：
FLUID116
热管流单元
SURF1512-D
热表面单元
SURF1523-D
热表面单元
<
/p>
其中
FLUID116
单元求解一维带泵
送效应的泊努利方程和一维带质量传递的
热传递，可与
SURF
151
或
SURF152
连接模拟对流
效应。它的压力、流率、温度、
角速度、滑移系数可以表格化参数方式输入。主要的单元
属性有流体导热系数、
流体密度、流体比热、流体粘度、流体流率等。
< br>
而表面效应单元的额外节点在
FLUID116
单元上，这样用管流单元
FLUID116
上
的节点温度作为对流中的流体温度，
将对流系数赋予表面效应单元上，
< br>模拟流
体与管壁的耦合传热。
LFSUR
,
Sline
,
Tline
对组元
< br>Sline
中包含的线划分表面效应单元，
并连接表面效
应单元和距离最
近的管流单元。这些管流单元已经划分网格，并定义为组元
Tline
。
AFSUR
,
Sarea
,
Tline
对组元
< br>Sarea
中包含的面划分表面效应单元，
并连接表面效
应单元和距离最
近的管流单元。这些管流单元同样已经划分网格，并定义为组元
Tline
。
可用如下命令控制显示表面效应单元的额外节点：
命令：
/PSYMB
,
X
NODE
,
1
GUI
：
Utility
Menu>PlotCtrls>Symbols
5.9
表面
效应单元的实例
1
－冷却栅的热分析
5.9.1
问题描述
分析冷却栅的温度分布及与空气的
热传递速率。
冷却栅的横截面如下图
所示，单位为英寸。材料为
铝，导热系数为
8.5 BTU/hr
.in°F。冷却栅底部
流
入的热流密度为
17BTU/
。空气
的温度为
90 °F，自然对流。
5.9.2
菜单操作过程
5.9.2.1
设置分析标题
1
、选择“Utility
Menu>File>Change Title”，输入
HEATSINK1
。
2
、
选择“Utility
Menu>File>Change
title”，
输入
Heat
convection
using
SURF151 ignoring
radiation
。
5.9.2.2
定义参数变量
1
、选择“Utility
Menu>Parameters>scalar paramaters”，输入：
base=.15
hgt=1.0
ttop=0.05
tbot=0.15
fspc=0.4
dt=301.5-90!
假设表面平均温度与空气的温差
dt=dt*5/9!
转换为摄氏度
len=(hgt-base)/39.37
hvert1=
(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144!
竖直边对流系
数（经验公式）
len=base/39.37
hvert2=(1.42*(dt/len)**0.25)*0.1761/144
len=(fspc-tbot)/39.37
hhorz1
=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144!
水平边对流
系数（经验公式）
len=ttop/39.37
hhorz2=(1.32*(dt/len)**0.25)*0.1761/144
5.9.2.3
定义热单元及表面效应单元
1
、选择“Main
Menu：>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete”，<
/p>
定义单元类型
1
为
PLANE55
；单元类型
2
为
SURF151
。
2
、点击
SURF151
，
Options
，将“Midside
nod
es”设置为
Exclude
；“Extra
node”设置为
Include
；“Heat
flux
and
convect
loads”设置为
Hf
at
average
T
。
5.9.2.4
定义定义材料属性
1
、选择“Main
Menu>Preprocessor>Material
Props>Material
Models” 在
弹出的材料定义窗口中顺序选择
Thermal
，
Conductivity
，
Iso
tropic
选项，
KXX
框中输入<
/p>
8.5
。
2<
/p>
、任意定义
2
～
5
号材料。
5.9.2.5
创建几何模型
1
、选择“Main
Menu>Preprocessor>Create>Keypoint>In Active CS”，创<
/p>
建
8
个关键点。关键点的编号及坐标如下
：
编号
1
X
Y
0
2
0
3
0
4
Tbot/2
0
5
Tbot/2
base
6
Ttop/2
hgt
7
Fspc/2
0
8
Fspc/2
base
0
base
hgt
2
、选择“Main
Menu>Preprocessor>Create>Area>Arbitrary>Through
KPs”，输入
1
，
4
，
5
，
2
，点击
APPLY
；输入
2
，
5
，
< br>6
，
3
，点击
< br>APPLY
；输入
4
，
7
，
8
，
5
，点击
OK
，由关键点组
成了
3
个面。
3
、选择“Utility
Menu>WorkPlane>
Local
Coordinate system>Create
Local CS>At
Specified Loc”，输入
fspc/2,0,0
创
建局部坐标。
4
、
< br>选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area，
Pick
all
，
on
Y-
Z
plane”，
映射面。
5
、选择“MainMenu>Preprocessor>Number
ing Contrls>Merge Items”，选
择
K
eypoints
。
6
、
选择“MainMenu>Preprocessor>Copy>Are
a”，
点击
Pick
all
，
在
number
of copied
中输入
5
，
x offset
中输入
< br>fspc
。
7
、选择“Utility
Menu>WorkPlane>
Local
Coordinate system>Create
Local CS>At
Specified Loc”，输入
5*fspc,0,0
创
建局部坐标。
8
、
< br>选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area”，
< br>输入
28,29,30
，
on
Y-Z
plane
映射面。
9
、选择“MainMenu>Preprocessor>Numberin
g Contrls>Merge Items”，选
择
Key
points
。
10
、选择“Utility
Menu>WorkPlane>Change Act
ive CS>To
Global
Cartesian”，返回总体直角坐标系。
5.9.2.6
赋予各边属性
1
、选择所有的长斜边：
选择“Utility
Menu>Select>Entities>Line>Exterior，
From
Full,
Apply”；
选择“Utility
Menu>Select>Entities>Line>By
location，
Y
coordi
nate”，
输入
base+0.1
，
hgt-0.1
，选择
reselec
t
，
Apply
；
选择“Utility Menu：
>
Select>Entities>Line> By
location
，
X
coordi
nate”，输入
0
，选择
Unsel
ect
；
选择“Main
Menu>Define>All Lines>”，选择材料为
2
，单元类型为
2
；
2
、选择最右边的线：
选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>
By location，
X
coordinate”，输入
5.5*fspc
，
From
Full
；
选择“Main
Menu>Define>All Lines”，选择材料为
3
，单元类型为
2
；
3
、选择冷却栅根部的线：
选择“Utility
Menu>Select>Entities>Line>Exterior，
From Full
，
Apply”；
选择“Utility Menu> Select>Entities>Line>
By location，
Y
coordinate”，输
入
base
，
Reselect
，
OK
；
选择“Main
Menu>Define>All Lines>”，选择材料为
4
，单元类型为
2
；
4
、选择顶部的线：
选择“Utility Menu>Select>Entities>Line>By
lo
cation
，
Y
coordinate”，输入
hgt
，
From Full
，
OK
< br>；
选择“Main Menu>Define>All
Lines”，选择材料为
5
，单元类型为
2
；
5
、选择“Utility
Menu>Select>Select Everything”，选择所有项目。
5.9.2.7
划分热单元网格
选择“Main
Menu>Meshtool”，
设定
global
size
为
ttop*0.9
，
选择
mapped
，
点击
mesh all
。
5.9.2.8
创建孤立节点
1
、选择“Utility
Menu>P
arameter>Get Scalar Data>Model
Data>For
Selected Set”，点击
OK<
/p>
，选择
Current Node
Set
，
Highest node num
< br>，输入
NN
得到最大节点编号。
2
、选择“Main
Menu>Preprocessor>Create>Node>On Active CS”，输入节
点编号为
NN+1
，
X
坐标为
5.5*fspc/2
，
Y
坐标为
hgt+0.2
< br>，创建面效应单元的附
加节点。
5.9.2.9
生成表面效应单元
<
/p>
1
、生成材料编号为
2
< br>的表面单元：
选择材料编号为
2
的线
,
选择“Utility
Menu>Select>Entities>Line>By
attribute>
Material”，输入
2
，
From full
，
Apply
。
选择线上的节点，选择“Utility
Menu>Select>Entities>Node>Attached
to>Line all
，From Full”，点击
Apply
；选择，
By
Num/Pick
，
Also Select
< br>，
点击
OK
。
< br>
定义单元属性，选择“Main
Menu：
>Preprocessor>Create>Element>Elem
Attribute”，选择单元类型为
2
，材料编号为
2
。
生成表面单元，选择“Utility Menu>Main
Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf
Effect>Extra Node”，选择除附加
节点外的所有节点，点击
OK
，输入
NN+1
，
点击
OK
。
2
、生成材料编号为
3
的表面单元：<
/p>
选择材料编号为
3
的线
,
选择“Utility
Menu>Select>Entities>Line>By
attribute>
Material”，输入
2
，
From full
，
Apply
。
选择线上的节点，选择“Utility
Menu>Select>Entities>Node>Attached
to>Line all
，From Full”，点击
Apply
；选择，
By
Num/Pick
，
Also Select
< br>，
点击
OK
。
< br>
定义单元属性，选择“Main
Menu：
>Preprocessor>Create>Element>Elem
Attribute”，选择单元类型为
2
，材料编号为
3
。
生成表面单元，选择“Utility Menu>Main
Menu>Preprocessor>Create>E
lement>Surf
Effect>Extra Node”，选择除附加
节点外的所有节点，点击
OK
，输入
NN+1
，
点击
OK
。
3
、生成材料编号为
4
的表面单元：<
/p>
选择材料编号为
4
的线
,
选择“Utility
Menu>Select>Entities>Line>By
attribute>
Material”，输入
4
，
From full
，
Apply
。
选择线上的节点，选择“Utility
Menu>Select>Entities>Node>Attached
to>Line all
，From Full”，点击
Apply
；选择，
By
Num/Pick
，
Also Select
< br>，
点击
OK
。
< br>
定义单元属性，选择“Main
Menu：
>Preprocessor>Create>Element>Elem
Attribute”，选择单元类型为
2
，材料编号为
4
。
生成表面单元，选择“Utility Menu>Main
Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf
Effect>Extra Node”，选择除附加
节点外的所有节点，点击
OK
，输入
NN+1
，
点击
OK
。
4
、生成材料编号为
5
的表面单元：<
/p>
选择材料编号为
5
的线
,
选择“Utility
Menu>Select>Entities>Line>By
attribute>
Material”，输入
5
，
From full
，
Apply
。
选择线上的节点，选择“Utility
Menu>Select>Entities>Node>Attached
to>Line all
，From Full”，点击
Apply
；选择，
By
Num/Pick
，
Also Select
< br>，
点击
OK
。
< br>
定义单元属性，选择“Main
Menu：
>Preprocessor>Create>Element>Elem
Attribute”，选择单元类型为
2
，材料编号为
5
。
生成表面单元，选择“Utility Menu>Main
Menu>Preprocessor>Create>Element>Surf
Effect>Extra Node”，选择除附加
节点外的所有节点，点击
OK
，输入
NN+1
，
点击
OK
。
5.9.2.10
施加热流密度载荷
1
、选择“Utility
Menu>Select>Entities>Node>By Location，
y
coordinate”，输入
0
，<
/p>
From Full
，点击
OK
，。
2
、
选择“Main
Menu>Solution>Apply>Heat
flux>On
nodes”，
点击
pick
all
，
输入
17<
/p>
。
5.9.2.11
< br>在表面单元施加对流载荷
1
、
选择材料编号为
2
的单元：选择“Utility
Menu>Select>Entities>Element>By
Attribute>
Material”，输入
2
，
From
Full
，
OK
。
2
、定义对流系数：选择“Main
Menu>Solution>Apply>Convection>On
Elements Uniform”，输入
hvert1
。
3
、选择材料
编号为
3
的单元：选择“Utility
Menu>Select>Entities>Element>By
Attribute>
Material”，输入
3
，
From
Full
，
OK
。
4
、定义对流系数：选择“Main
Menu>Solution>Apply>Convection>On
Elements Uniform”，输入
hvert2
。
5
、选择材料
编号为
4
的单元：选择“Utility
Menu>Select>Entities>Element>By
Attribute>
Materi
al”，输入
4
，
From
Full
，
OK
。
6
、定义对流系数：选择“Main
Menu>Solution>Apply>Convection>On
Elements Uniform”，输入
hhorz1
。
7
、选择材料
编号为
5
的单元：选择“Utility
Menu>Select>Entities>Element>By
Attribute>
Material”，输入
5
，
From
Full
，
OK
。
8
、定义对流系数：选择“Main
Menu>Solution>Apply>Convection>On
Elem
ents Uniform”，输入
< br>hhorz2
。
9
、选择“Utility
Menu>Select>Select Everything”。
10
、定义附加节点的温度（
bulk
temperature
）：选择“Utility
Menu>Select>Select
Everything”。
.9.2.12
求解
选择“Main Menu>Solution>Current
LS”。