Convective heat flux (対流熱流束) | Boundary conditions

概要

Convective heat flux (対流熱流束) 境界条件では、ジオメトリの境界面と外部環境との間に線形熱伝達モデルが適用されます。これは、自然対流や強制対流、あるいは比較的一定の温度を持つボディとの熱伝導などによる熱量の一般的な流入出をモデル化するのに便利です。

この境界条件は以下の解析タイプで使用できます。

• Heat Transfer: 熱伝導解析
• Thermomechanical: 熱応力解析

設定項目

境界条件のパラメータは以下の通りです:

1. Reference temperature (参照温度): 熱伝達の計算に使用される外部環境の温度。
2. Heat transfer coefficient (熱伝達係数): 熱伝達を計算するために使用される比例値。単位は\((W, Btu/h)\) を温度\((K, °C, °F)\) と面積の単位\((m^2, in^2)\)で割ったもの。
3. Assigned faces (割り当て): 対流熱流束を適用する面。

図 1: Convective heat flux 境界条件の設定パネル

熱伝達の計算

割り当てられた面の各要素上の熱伝達は、次式の通り局所温度の差で計算されます。

$$ \kappa (\nabla T \cdot \vec{n}) = h(T – T_{ref}) $$

ここで

• \( \kappa \) は材料の熱伝導率
• \( \nabla T \) は局所温度勾配
• \( \vec{n} \) は要素境界面の法線ベクトル、
• \( h \) は対流熱伝達率
• \( T \) は局所温度
• \( T_{ref} \) は外部参照温度

各パラメータを変数として設定する

参照温度および/または熱伝導係数を数式 または テーブル入力を使用して指定することができます。使用できる関数は以下の通りです:

• • 時間依存：
    • 過渡熱伝導解析や非線形シミュレーション、動的シミュレーションでは、温度を時間（変数t）に対して変化するように設定できます。例えば、非線形シミュレーションで荷重をゼロから増加させる場合や熱伝達カーブを設定したい場合に便利です。
  • 座標依存：
    • 圧力は空間内の位置（変数X、Y、Z）に対して変化するように設定できます。これは面またはボリュームに既知の温度分布を設定する場合に便利です。

  表で設定する場合のパラメータ数

  数値計算が困難なため、基礎となる構造ソルバー(Code_Aster)は1つまたは2つの変数のテーブル関数定義しかサポートしていません。3つの空間座標(X、Y、Z)の関数を定義する必要がある場合、あるいは時間と組み合わせる必要がある場合は、数式で指定する必要があります。

図2: 対流熱流束を受けるLEDパックヒートシンクの温度コンタープロット(下の検証ケースを参照)。

関連ドキュメント

• チュートリアル：デフケースの熱伝導解析
• チュートリアル：エンジンピストンの熱応力解析
• Validation Case: Convective Heat Transfer of a Sphere (英語)
• Validation Case: Thermal Effects in High Power LED Packaging (英語)

最終更新日2024年1月2日