有限元固体能量模型参考

有限元固体能量模型与固体区域和壳区域都兼容。壳边需要共形的内部交界面用于壳部件之间的共用边。轮毂交界面和内部（基于边界）交界面不受支持（请参见交界面类型）。对于壳区域，可以使用四边形或三角形体网格生成器。

对于连续壳体，将采用整个壳厚度内的线性温度近似值来计算 3D 求解。为了保证整个内部壳体边到边交界面的温度连续性，有限元固体能量模型通过对跨交界面的顶面和底面键入自由度，向部件添加附加约束。


理论	请参见固体中的能量方程。
提供方式	[物理连续体] > 模型 > 可选模型
节点路径示例	连续体 > [固体物理连续体] > 模型 > 有限元固体能量
要求	物理模型：空间：三维材料：固体或多部件固体
兼容网格生成器	定向网格生成器四面体网格生成器薄体网格生成器有关网格化准则，请参见网格要求和准则。
激活	材料属性	密度比热导热率请参见材料属性。
	初始条件	静态温度。请参见初始条件。
	边界输入	`热指定`。请参见边界输入。
	区域输入	`能量源选项` `集总热容量矩阵选项` `中间边节点选项` 请参见区域输入。
	交界面输入	`能量耦合选项`（对于类型为映射接触交界面的流体/固体交界面）、`热耦合指定`、`壳体膨胀选项`。请参见交界面输入。
	监视器	温度热负载热电势请参见监视器。
	求解器	有限元固体能量（使用稀疏直接求解器或迭代求解器）请参见求解器设置。
	场函数	Boundary Heat Flux(边界热通量)、热通量、比热、温度、Temperature Gradient(温度梯度)、Temperature Time Derivative(温度时间导数)、导热率。请参见场函数。

材料属性

目前，可以使用常数值定义固体材料的热属性。不能将热属性定义为固体温度的函数。

密度

定义未变形状态下的单位体积质量（Eqn. (1647) 中的

ρ

）。将有限元固体能量模型与固体应力模型组合使用时，这是未变形状态下的固体密度。

比热

将固体材料的比热（Eqn. (1647) 中的

C_{p}

）定义为常数分布。比热指定将固体温度增加 1 °C 所需的每单位质量的热量。

导热率

定义固体材料的导热率（Eqn. (1648) 中的

k

）。可用方法如下：

方法	对应值节点
常数、场函数、多项式 (T)、表 (T) 适用于各向同性材料。	导热率 > 常数、场函数使用恒值、场函数、温度多项式函数或温度值表将 $k$ 指定为标量。
各向异性、正交各向异性和横向各向同性适用于非各向同性材料。	导热率 > 各向异性、正交各向异性和横向各向同性将 $k$ 指定为二阶张量（请参见张量）。 [区域] > 物理值 > 导热率方向指定张量的局部方向。有关详细信息，请参见方向管理器和局部方向。

当导热率为温度函数时，离散能量方程包含非对称项。在这种情况下，Simcenter STAR-CCM+ 会忽略线性化（改进牛顿法）中的非对称项。

初始条件

静态温度: 可用于将固体温度初始化为指定的标量分布。

边界输入

适用于固体和壳壁面边界。与固体应力模型不同，有限元固体能量模型不需要段。

热指定

指定 Simcenter STAR-CCM+ 用于定义固体边界处热行为的方法。

方法	激活的值和条件
绝热边界处不发生能量传递。	无
热通量可用于指定整个边界的热通量（请参见 Eqn. (1647) 中的 ${\dot{q}}^{"}$ ）。	热通量边界 - 法向热通量作为标量分布输入。为离开边界的热量指定一个负值，为进入的热量指定一个正值。
热源可用于指定边界处的总热量。	热源作为标量分布输入的总热量。
温度可用于指定边界处的温度。	静态温度作为标量分布输入的边界温度。
对流可用于指定整个边界的对流通量（请参见 Eqn. (1648)）。	环境温度作为标量分布输入的参考温度（Eqn. (1648) 中的 $T_{r e f}$ ）。热传递系数作为标量分布输入的热传递系数（Eqn. (1648) 中的 $h$ ）。

对流体和固体之间的共轭传热建模时，Simcenter STAR-CCM+ 会自动设置流体结构交界面两侧边界的热指定。请参见交界面输入。

平均时间选项

可用于流体结构交界面边界。在交界面边界，此选项可用于指定是否在将热场（即，来自固体边界的温度和来自流体边界的对流通量）映射到交界面的另一侧之前对其进行时间平均。有关更多信息，请参见平均时间选项。

区域输入

能量源选项

可用于为固体区域定义额外的能量源。可以使用此选项考虑未在模拟中显式建模的现象产生的热能。

以下每种方法（无除外）激活与指定源同名的物理值。

无 — 不添加能量源。
体积热源 — 将单位体积的热源 (W/m³) 定义为标量分布。
总热源 — 将热源 (W) 定义为标量分布。
比热源 — 将比热 (W/kg) 定义为标量分布。

集总热容量矩阵选项

将热容矩阵分块，是一种减少能量方程 Eqn. (1647) 数值求解中不必要振荡的方法。这些寄生振荡是在能量方程的有限元公式中预期到的，通常发生在热边界层薄且无法通过指定时空离散化捕捉的区域。

这通常发生在以下情况：

\frac{α Δ t}{Δ x^{2}} < 1

(295)

其中为材料的热扩散率，为平均网格单元大小，为模拟时间步。 $α$ $Δ x$ $Δ t$

建议在满足 Eqn. (295) 的区域中激活分块。分块仅适用于包含一阶单元的网格，即没有中边节点的线性单元。

中间边节点选项

可用于在网格中移除或添加中间边节点。有关更多信息，请参见中间边节点选项。

交界面输入

有限元固体能量模型适用于除重复交界面以外的所有交界面拓扑。

能量耦合选项

可用于映射接触界面类型的固体/流体交界面。

此选项确定在流体结构交界面耦合热求解的方法（请参见能量耦合选项）。使用有限元固体能量模型时，Simcenter STAR-CCM+ 会自动将此选项设为显式。显式耦合选项可用于在非共形交界面边界之间自动交换数据，而无需使用数据映射器。

能量耦合选项	交界面边界的条件和值
显式使用显式耦合时，流体对流通量处的固体温度映射在交界面的两侧。Simcenter STAR-CCM+ 会自动设置固体交界面边界以使用从交界面的流体侧映射的热场。	固体交界面边界：环境温度热传递系数根据从流体边界映射的场自动设置。流体交界面边界：静态温度根据从固体边界映射的场自动设置。使用显式选项时，还设置流体和固体交界面边界处的`平均时间选项`物理条件。请参见平均时间选项。

热耦合指定

适用于实体/实体接触和映射接触界面。

指定如何跨交界面传递温度场。


耦合类型	对应值节点
解耦禁用交界面任一侧的温度场，以防止温度信息跨交界面传递。	无
理想传导确保温度场跨交界面连续。	无
热阻可用于为交界面定义正的非零热阻（Eqn. (1672) 中的 $R$ ）。如果接触热阻比块状固体的导热率小一个数量级，求解将接近理想导热求解。如果接触热阻比块状固体的导热率大一个数量级，求解将接近非耦合求解。	接触热阻交界面导热的热阻值。它作为标量分布输入。如果使用场函数定义该值且场函数的忽略边界值属性已激活，则使用由交界面边界-0 属性所标识的边界旁的网格单元的数据来计算此函数。

此条件支持共形和非共形网格以及周期交界面拓扑。

壳体膨胀选项

可用于映射接触交界面类型的壳体/壳体和壳体/固体交界面。

如果激活，则在跨壳体/壳体或壳体/固体交界面映射固体温度时会考虑壳体部件的体积表示，即壳厚度。此属性为只读，在创建壳体/壳体或壳体/固体交界面时默认激活。

约束映射

可用于映射接触交界面类型的固体/固体交界面。

指定 Simcenter STAR-CCM+ 用于约束粘合表面的方法。可用选项如下：

节点至表面：
默认选项。在两个有限元之间的交界面处，次单元上的节点被约束到主单元上重叠表面的节点。通常，此方法所需的计算工作量较少，但它不保留线动量和角动量（在固体应力计算中）或热通量（在固体能量计算中），并且可能导致计算的应力或温度局部不精确。
表面至表面：
在两个有限元之间的交界面处，次单元与主单元的重叠表面将细分在三角形中。在重叠表面上广义积分或弱积分以满足约束。与节点至表面方法相比，此方法保留线动量和角动量（在固体应力计算中）或热通量（在固体能量计算中），从而提高了计算的应力或温度的精度。但是，此方法需要更多的计算量，并且所需内存会随着使用的内核数而增加。

此选项仅适用于粘接映射接触交界面。滑动交界面自动使用节点至表面方法。

对于共享周长和节点的相邻交界面，建议使用相同的约束映射方法。使用这两种方法可能会导致过度约束共享节点。

监视器

温度: 固体温度增量 [K]（请参见 Eqn. (4972)）。
热负载: 残余通量 [W]（请参见 Eqn. (4972)）。热负载残余等同于适用于有限体积能量模型的能量残余。两者都采用功率单位 [W]。
热电势: 热电势，通过 [WK] 单位定义（请参见 Eqn. (4977)）。当激活有限元固体能量求解器的热电势属性时，此监视器可用。

有限元固体能量求解器属性和控制

可用属性包括：

亚松弛因子: 默认值为 1。要加快收敛速度并提高线性系统的稳定性，可以降低亚松弛因子。
保留临时储存: 激活时，求解器将在迭代结束时保留温度和热负载残差。可以使用相应的场函数访问这些残差。
启发式解析约束冲突: 激活时，Simcenter STAR-CCM+ 使用启发式方法解析约束冲突和循环依赖性。在某些情况下，该解析方法会影响求解并导致出现不切实际的结果。当此选项处于活动状态时，确保评估求解的有效性。
默认情况下，此属性处于停用状态。在 15.06 之前的 Simcenter STAR-CCM+ 版本中，启发式冲突解析是默认方法。

有关通用属性，请参见通用属性。

与固体应力求解器一样，有限元固体能量求解器具有可用于选择积分法的控制。有关可用选项的更多信息，请参见积分法。

场函数

Boundary Heat Flux(边界热通量): 垂直于边界的热通量矢量的幅值。
热通量: 热通量矢量（Eqn. (1647) 中的 ${\dot{q}}^{"}$ ）。
比热: 反映为固体材料指定的比热属性。
温度: 由有限元固体能量求解器计算的固体温度。
温度梯度: 温度梯度（请参见 Eqn. (1648)）。
Temperature Time Derivative(温度时间导数): 固体温度相对时间的导数。
导热率: 反映为固体材料指定的导热率属性。

方法	激活的值和条件
绝热边界处不发生能量传递。	无
热通量可用于指定整个边界的热通量（请参见 Eqn. (1647) 中的 ${\dot{q}}^{"}$ ）。	热通量边界 - 法向热通量作为标量分布输入。为离开边界的热量指定一个负值，为进入的热量指定一个正值。
热源可用于指定边界处的总热量。	热源作为标量分布输入的总热量。
温度可用于指定边界处的温度。	静态温度作为标量分布输入的边界温度。
对流可用于指定整个边界的对流通量（请参见 Eqn. (1648)）。	环境温度作为标量分布输入的参考温度（Eqn. (1648) 中的 $T_{r e f}$ ）。热传递系数作为标量分布输入的热传递系数（Eqn. (1648) 中的 $h$ ）。