VM116 - Heat-conducting Plate with Sudden Cooling VM159 - Temperature Controlled Heater VM192 - Cooling of a Billet by Radiation 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SRUF152(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。
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PLANE78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》。
SURF152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：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：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Include。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：Keyopt(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。
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>Meshing 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>Preprocessor> 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>Preprocessor> 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>create>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
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SURF151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。
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，模拟流体与管壁的耦合传热。
LFSUR, Sline, Tline
对组元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,XNODE,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/hr.sq.in。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”，定义单元类型1为PLANE55；单元类型2为SURF151。
2、点击SURF151，Options，将“Midside nodes”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，Isotropic选项，KXX框中输入8.5。 2、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”，创建8个关键点。关键点的编号及坐标如下： 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 X Y 0 0 0 Tbot/2 Tbot/2 Ttop/2 0 base hgt Fspc/2 Fspc/2 0 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2，5，6，3，点击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、选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area，Pick all，on Y-Z plane”，映射面。
5、选择“MainMenu>Preprocessor>Numbering Contrls>Merge Items”，选择Keypoints。
6、选择“MainMenu>Preprocessor>Copy>Area”，点击Pick all，在number of copied中输入5， x offset中输入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、选择“MainMenu>Preprocessor>Reflect>Area”，输入28,29,30，on Y-Z plane映射面。
9、选择“MainMenu>Preprocessor>Numbering Contrls>Merge Items”，选择Keypoints。
10、选择“Utility Menu>WorkPlane>Change Active 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 coordinate”，输入base+0.1，hgt-0.1，选择reselect，Apply；
选择“Utility Menu：> Select>Entities>Line> By location，X coordinate”，输入0，选择Unselect；
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 location， Y coordinate”，输入hgt， From Full，OK；
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