69

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*

Một liên kết Rigid xác định một kết nối cứng giữa các bề mặt được chọn của hai vật thể khác nhau. Dưới
đây là những mục cần thiết để xác định kiểu liên kết Rigid.
• Faces for Rigid Connection: Chọn các bề mặt mô hình solid để liên kết cứng với các bề mặt
đích.

• Target: Chọn các bề mặt từ mô hình solid khác để liên kết cứng với những bề mặt đã chọn.
Spring

Một liên kết Spring là một kết nối lò xo sẽ liên kết một bề mặt của thành phần này với một bề mặt của
thành phần khác bằng các lò xo phân bố đều với độ đàn hồi và hướng xác định. Hai bề mặt này phải
phẳng và song song với nhau. Các lò xo được đưa vào phần diện tích chung của các hình chiếu bề mặt
này lên bề mặt kia. Bạn có thể xác định một dự ứng lực kéo hoặc nén cho kết nối lò xo.




Dưới đây là những mục cần thiết để xác định kiểu liên kết Spring.
• Planar Face of Component 1. Chọn một bề mặt phẳng từ một solid.

• Parallel Face of Component 2. Chọn một bề mặt phẳng từ một solid khác. Bề mặt này phải

song song với bề mặt đã chọn.

Stiffness
• Units. Chọn một đơn vị xác định độ cứng và dự ứng lực.

• Distributed. Nhập một giá trị cho độ cứng trên diện tích. Tổng độ cứng tương đương bằng diện
tích chiếu chung nhân với phân bố độ cứng này.

• Total. Nhập giá trị độ cứng tổng. Độ cứng tổng này được phân bố đều trên diện tích chiếu
chung.

• Normal . Nhập giá trị độ cứng theo phương vuông góc với các bề mặt được chọn.
• Shear . Nhập giá trị độ cứng theo phương các bề mặt được chọn.
• Preload Force . Đặt dự ứng lực dọc trục cho lò xo.
o Compression. Nhập giá trị dự ứng lực nén.
o Tension. Nhập giá trị dự ứng lực kéo.
Một số thủ thuật
• Các kết quả sẽ chính xác hơn nếu từng bề mặt đúng là hình chiếu của bề mặt kia. Nếu các bề
mặt không thỏa mãn điều kiện này, bạn có thể làm một trong những thao tác sau để cải thiện
độ chính xác các kết quả:

o Tách một hoặc cả hai bề mặt, nếu cần, bằng cách chiếu từng bề mặt lên nhau rồi xác
định liên kết lò xo giữa các bề mặt được tách này.

o Xác định hai liên kết lò xo với trình tự lựa chọn các bề mặt ngược nhau và mỗi liên kết có
độ cứng bằng một nửa giá trị tổng.


70


SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*

• Không thể tạo liên kết lò xo nếu không có diện tích chiếu chunggiữa các bề mặt.
• Các bề mặt này có thể trùng nhau, điều đó cho phép bạn giả lập một lớp vật liệu đàn hồi mỏng
nằm giữa hai bề mặt mà không cần phải mô phỏng lớp vật liệu này hoặc tạo ra khe hở để đặt
lớp vật liệu này. Các lò xo ảo trong trường hợp này có chiều dài ban đầu bằng không.

• Khi xem các kết quả, lưu ý đặt tỷ lệ biến dạng bằng 1.0 để đảm bảo không có sự thâm nhập giữa
các thành phần khi chịu tải. Khi thấy có sự giao nhau, các kết quả đó là không có giá trị. Bạn có
thể xác định các điều kiện tiếp xúc giữa những bề mặt giao nhau để loại trừ kết quả phi thực tế
này trước khi chạy nghiên cứu lại.

Pin (chốt)

Liên kết Pin sẽ kết nối các bề mặt trụ của hai thành phần.
Dưới đây là những mục cần thiết để xác định kiểu liên kết Pin:
• Cylindrical Faces of Component 1. Chọn một bề mặt trụ đầy đủ (360°) hoặc một số các bề mặt
trụ có góc nhỏ hơn. Các bề mặt được chọn phải thuộc về cùng một thành phần và phải đồng
trục với cùng bán kính.

• Cylindrical Faces of Component 2. Chọn một bề mặt trụ đầy đủ (360°) hoặc một số các bề mặt
trụ có góc nhỏ hơn. Các bề mặt được chọn phải thuộc về cùng một thành phần khác và phải
đồng trục với cùng bán kính.


Các bề mặt của thành phần 2 có thể khác bán kính thành phần 1.

Connection Type
• No Translation. Xác định một chốt không cho phép trục của hai bề mặt trụ di chuyển đối với
nhau.

• No Rotation. Xác định một chốt không cho phép hai bề mặt trụ quay đối với nhau.
Elastic Pin
• Units. Chọn hệ đơn vị xác định các thuộc tính đàn hồi.

• Axial Stiffness. Độ cứng của chốt theo hướng trục. Không khả dụng nếu kiểm No Translation.
• Rotational Stiffness . Độ cứng của chốt theo hướng chu vi. Không khả dụng nếu kiểm No
Rotation.

Một số lưu ý với liên kết Pin

Liên kết pin sẽ kết nối các bề mặt trụ của các thành phần với nhau. Các liên kết này sẽ phản ứng dưới tải
trọng như sau:
• Các chốt vẫn duy trì thẳng (không bị uốn cong)

• Từng bề mặt vẫn duy trì hình dạng ban đầu nhưng có thể di chuyển như một vật cứng
• Các bề mặt xác định chốt trong một thành phần vẫn duy trì đồng tâm.Giả lập này dựa trên giả
thiết về chuyển vị nhỏ theo mặc định. Chương trình sẽ thông báo nếu phát hiện thấy có góc
quay lớn mà không dùng tùy chọn Large displacement trong hộp thoại Static. Trong trường
hợp dùng tùy chọn này, tải sẽ tăng theo gia số và hình dạng mô hình sẽ cập nhật từng mức tải.

Chương trình giả lập chốt bằng các tạo các bề mặt trụ cứng và liên kết chúng bởi một thanh (lò xo) có độ
cứng quay và độ cứng hướng trục xác định. Chuyển động dọc trục tương đối của các bề mặt tùy thuộc
vào lực dọc trục sinh ra trong kết nối và độ cứng dọc trục đã xác định. Tương tự, chuyển động quay
tương đối tùy thuộc vào moment sinh ra trong kết nối và độ cứng theo phương chu vi đã xác định.


71

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*




Tác động của chốt được kiểm soát bởi trở lực của nó đối với các chuyển động tịnh tiến và quay. Nếu
kiểm No Rotation, chốt này sẽ chống lại chuyển động quay giữa các bề mặt trụ. Tương tự, nếu kiểm No
Translation, chốt này sẽ chống lại chuyển động dọc trục giữa hai bề mặt trụ. Nếu không kiểm No
Rotation, chương trình sẽ cho rằng đây là một bản lề trơn (độ cứng bằng không) hoặc bạn có thể xác
định giá trị cho Rotational stiffness. Tương tự, nếu không kiểm No Translation, chương trình sẽ cho
rằng không có trở lực dọc trục hoặc bạn phải xác định một giá trị cho Axial stiffness.


Một số thủ thuật
• Nếu các bề mặt được lắp chốt tiếp xúc nhau từ ban đầu, bạn phải dùng điều kiện tiếp xúc Free.
Nếu không, chúng sẽ bị gắn chặt vào nhau và chốt sẽ không làm việc.

• Do có các vùng cứng, ứng suất gần những vùng này có thể không chính xác. Hiệu ứng này giảm
dần và biến mất trên thực tế trong một vùng bằng khoảng đường kính tính từ các bề mặt trụ.
Để có sự mô phỏng chốt chính xác hơn, bạn cần phải tạo ra cái chốt và xác định các điều kiện
tiếp xúc thích hợp.


• Khi xem các kết quả, lưu ý đặt tỷ lệ biến dạng bằng 1.0 để đảm bảo không có sự thâm nhập giữa
các thành phần khi chịu tải. Khi thấy có sự giao nhau, các kết quả đó là không có giá trị. Bạn có
thể xác định các điều kiện tiếp xúc giữa những bề mặt giao nhau để loại trừ kết quả phi thực tế
này trước khi chạy nghiên cứu lại.

Elastic Suppo
rt (N
ền đ
àn h
ồi)


Một liên kết Elastic Support xác định một nền đàn hồi giữa các bề mặt được chọn của một part hoặc
assembly với mặt đất. Các bề mặt này không buộc phải phẳng. Một độ cứng phân bố tại một điểm trên
bề mặt này mô tả mật độ cứng tương ứng với một diện tích vô cùng nhỏ quanh điểm đó. Độ cứng tiếp
tuyến tại một điểm được giả thiết rằng bằng nhau theo tất cả các mọi hướng tiếp tuyến với bề mặt tại
điểm đó.
Các lò xo đàn hồi được dùng để giả lập nền đàn hồi và hấp thụ các va chạm. Nền đàn hồi này có thể
được làm bằng các lò xo trên thực tế hoặc một lớp vật liệu đàn hồi.

72

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*




Dưới đây là những mục cần thiết để xác định kiểu liên kết Elastic Support:
• Faces for Elastic Support . Chọn các bề mặt cho liên kết đàn hồi.
Stiffness (Độ cứng)
• Units. Chọn một hệ đơn vị để xác định độ cứng.
• Distributed. Nhập một giá trị cho độ cứng trên đơn vị diện tích. Tổng độ cứng tương đương
bằng tổng diện tích các bề mặt nhân với độ cứng phân bố.
• Total. Nhập một giá trị độ cứng tổng. Độ cứng tổng được phân bố đều cho tất cả các bề mặt
được chọn.
o Normal. Nhập giá trị độ cứng theo phương vuông góc với các bề mặt được chọn.
o Shear . Nhập giá trị độ cứng theo phương trượt của các bề mặt.
Bolt (bu-lông)

Liên kết Bolt xác định một mối ghép bulon giữa hai chi tiết máy hoặc giữa một chi tiết máy với nền.
Trong hình minh họa là một mối ghép bulon điển hình.


73

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*

• With Nut. Dùng tùy chọn này để xác định một bulon thông thường với một ê-cu.

• Without Nut. Dùng tùy chọn này để xác định một bulon không có ê-cu.
• Grounded. Dùng tùy chọn này để kết nối một bề mặt trụ với mặt đất bằng một bulon.
Lu ý: Các bề mặt được chọn cùng một lần để xác định một bulon.
Nếu bạn chọn With Nut, hãy xác định như sau:
•
o Head Contact Faces . Chọn một hoặc nhiều bề mặt để xác định vùng tiếp xúc của
đầu bulon với một chi tiết máy.
o Nut Contact Faces . Chọn một hoặc nhiều bề mặt để xác định vùng tiếp xúc của ê-cu
với một chi tiết máy. Các bề mặt này phải thuộc về cùng một chi tiết máy khác với chi
tiết tiếp xúc với đầu bulon. Chỉ dùng tùy chọn này nếu With Nut được chọn.
Nếu bạn chọn Without Nut, hãy xác định như sau:
•
o Head Contact Faces . Chọn một hoặc nhiều bề mặt để xác định vùng tiếp xúc của
đầu bulon với một chi tiết máy.
o Thread Faces . Chọn các bề mặt lỗ từ chi tiết máy khác tiếp xúc với thân bulon.
Nếu bạn chọn Grounded, hãy xác định như sau:

oHead/Nut Contact Face . Chọn một hoặc nhiều bề mặt để xác định vùng tiếp xúc giữa mũ/êcu và
mặt nền.
oTarget Plane . Chọn một mặt phẳng tọa độ để mô phỏng nền ảo.
• Tight Fit. Dùng tùy chọn này nếu bán kính thân bulon bằng bán kính (các) lỗ trụ tương ứng

74

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-

DCL*

của ít nhất một chi tiết máy. Một bề mặt trụ được đặt
Tight Fit
sẽ được làm cứng và sẽ chỉ
biến dạng với thân bulon như một bề mặt cứng. Sự giả lập này tùy thuộc vào việc bulon có êcu
hay không, như minh họa dưới.
•
o Shank Contact Faces . Chọn các bề mặt trụ tiếp xúc với thân bulon. Các bề mặt này
có thể thuộc về một hoặc hai chi tiết máy. Nếu bạn chọn nhiều bề mặt của một chi tiết
máy, chúng phải đồng tâm và có cùng bán kính.
• Diameter . Chọn đơn vị đo và đặt đường kính cho thân bulon.
Lu ý: giá trị đường kính này phải bằng hoặc nhỏ hơn các đường kĩnh lỗ bulon của Shank Contact
Faces.
• Show Preview. Tắt bật hiển thị ký hiệu bulon khi bạn xác định bulon này.
• Apply. Tạo bulon sau khi thông tin vật liệu bulon được đưa vào hộp Material.
Material
• Custom. Xác định các thuộc tính vật liệu.
o Units. Chọn đơn vị xác định modul đàn hồi.
o Elastic Modulus. Đặt giá trị cho modul đàn hồi.
o Poisson's Ratio. Đặt hệ số Poisson (không thứ nguyên).
o Thermal Expansion Coefficient . Đặt hệ số giãn nở nhiệt cho vật liệu bulon.
• Library. Chọn một vật liệu từ thư viện vật liệu.
o Select Material. Click nút này để mở hộp thoại Material và chọn một vật liệu từ một
thư viện.Tên của vật liệu được chọn xuất hiện cạnh Material.
Lu ý: Chương trình không duy trì liên kết đến thư viện này. Nó chỉ cho phép đọc các thuộc tính vật
liệu khi bạn chọn. Nếu sau này bạn sửa đổi thư viện này, những thay đổi đó sẽ không cập nhật cho
bulon.

Preload (Tải có trước, lực căng bu-lông có từ trước)

• Units. Chọn hệ đơn vị để xác định dự lực cho bulon.



75

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*

•
Axial. Dùng tùy chọn này nếu bạn biết tải dọc trục của bulon. Ta thường chỉ biết lực xiết hơn là
lực kéo bulon.
• Torque. Dùng tùy chọn này nếu bạn biết lực xiết bulon.
• Torque Factor (K). Chương trình dùng hệ số này để tính lực kéo khi cho lực xiết.
Với bulon có êcu, lực xiết tác dụng lên êcuF = T/(K*D)
Với bulon không có êcu, lực xiết tác dụng lên mũ bulonF = T/(K*D*1.2)
Bạn có thể cần xác định một điều kiện tiếp xúc để tránh sự giao nhau như hình minh họa dưới. Ở đây
F là lực dọc trục bu-lông, T là lực xiết chặt, K là hệ số xiết chặt và D là đường kính danh nghĩa của ren.




Hàn tiếp xúc (Spot Welds)

Hàn tiếp xúc (hàn chấm, hàn điểm) Spot Welds là phương pháp hàn hai hoặc nhiều tấm kim loại mỏng

ghép chồng lên nhau mà không dùng bất cứ vật liệu nào khác để điền vào mối hàn. Các mối hàn tiếp xúc
này được dùng rất rộng rãi trong công nghiệp sản xuất xe hơi và các lĩnh vực tương tự. Hàn tiếp xúc rất
hiệu quả đối với các tấm kim loại mỏng có chiều dày tới 3mm. Nếu các tấm kim loại này có chiều dày
khác nhau thì tỷ lệ chênh lệch không được quá 3 lần. Độ bền của mối hàn phụ thuộc vào đường kính mối
hàn và chiều dày của các tấm kim loại.

Các tấm kim loại được hàn với nhau nhờ một áp lực cục bộ và làm nóng bằng các điện cực nhọn hợp
kim đồng. Các điện cực này cấp một năng lượng thích hợp để vật liệu của các tấm kim loại bị nóng chảy
và hòa lẫn vào nhau.





76

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*



Sau khi các điện cực rời ra, vật liệu nóng chảy đông đặc lại, tạo thành một điểm hàn như hình minh họa
dưới.






Hàn tiếp xúc làm việc tốt với thép carbon thấp. Mối hàn tiếp xúc của thép hợp kim carbon cao có khuynh
hướng bị giòn và dễ nứt gãy. Các tấm nhôm mỏng cũng có thể hàn tiếp xúc do điểm nóng chảy của nó
thấp hơn đồng.

Bạn có thể xác định các điểm hàn để hàn hai bề mặt solid hoặc hai bề mặt shell. Bạn cũng có thể xác
định điều kiện tiếp xúc No penetration

Lu ý: Hàn tiếp xúc chỉ khả dụng với các nghiên cứu tĩnh, ổn định và cộng hưởng.

Dưới đây là những mục cần thiết để xác định kiểu liên kết hàn tiếp xúc Spot welds:

giữa các bề mặt này để mô phỏng được thích đáng.

• Spot weld first face. Chọn một bề mặt solid hoặc shell thứ nhất.
• Spot weld second face. Chọn một bề mặt solid hoặc shell thứ hai của một chi tiết máy khác.
• Spot weld locations. Chọn các đỉnh hoặc điểm tham chiếu. Các điểm tham chiếu này được
chiếu lên các bề mặt để xác định vị trí tâm các chấm hàn.

• Spot weld diameter. Đường kính chấm hàn từ 3 đến 12.5 mm.

Xác định một mối hàn tiếp xúc:

1. Tạo các điểm tham chiếu nếu cần.

2. Right-click thư mục Load/Restraint và chọn Connectors. Bảng thuộc tính Connectors xuất hiện.

3. Từ trình đơn thả xuống Type, chọn Spot welds.


4. Trong Spot weld first face, chọn một bề mặt shell hoặc solid.

77

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*


5. Trong Spot weld second face, nếu bạn đã chọn một bề mặt shell ở bước 4, hãy chọn một bề mặt
shell khác; nếu bạn đã chọn một bề mặt solid ở bước 4, hãy chọn một bề mặt solid của thành phần khác.

6. Trong Spot weld locations, chọn các đỉnh hoặc điểm tham chiếu. Các điểm tham chiếu này được
chiếu lên các bề mặt để xác định vị trí tâm các chấm hàn.

Lu ý: Chương trình sẽ có thông báo nếu chiều dày tổng của mô hình tại chỗ hàn không thích hợp với
máy hàn.

7. Trong hộp Spot weld diameter, chọn một đơn vị và nhập giá trị đường kính mối hàn.
8. Click OK.

Connector - Link

Kết nối Link liên kết hai vị trí bất kỳ trên mô hình bằng một thanh cứng hai đầu có khớp bản lề. Khoảng
cách giữa hai vị trí này sẽ giữ không đổi trong quá trình biến dạng. Kết nối Link khả dụng cho các nghiên

cứu tĩnh, ổn định và cộng hưởng. Bạn xác định từng vị trí cho kết nối bằng cách xác định các đỉnh hoặc
điểm tham chiếu.

Dưới đây là những mục cần thiết để xác định kiểu liên kết Link:

• Vertex or point for the first location . Chọn một đỉnh hoặc điểm tham chiếu làm vị trí liên kết
thứ nhất.

• Vertex or point for the second location . Chọn một đỉnh hoặc điểm tham chiếu làm vị trí liên
kết thứ hai.


Lu ý: Bạn chỉ có thể chọn một vị trí cho mỗi hộp lựa chọn.

Dưới đây là những giới hạn cần tuân thủ khi dùng kết nối link:

• Liên kết này không khả dụng cho các mô hình shell.
• Không cho phép có chuyển vị quay lớn.

Tạo một kết nối link:

1. Trong COSMOSWorks Manager, right-click thư mục Load/RestraintConnectors. Bảng thuộc tính
Connectors xuất hiện.

2. Từ trình đơn thả xuống Type, chọn Link.

3. Trong hộp Vertex or point for first location, chọn một đỉnh hoặc điểm tham chiếu.

4. Trong hộp Vertex or point for second location, chọn một đỉnh hoặc điểm tham chiếu khác.


5. Click OK.

Các phân tích nhiệt

Có ba cơ chế truyền nhiệt là: Dẫn nhiệt, Đối lưu và Bức xạ.
Quá trình phân tích nhiệt sẽ tính toán sự phân bố nhiệt độ trong một vật theo một số hoặc tất cả các cơ
chế này. Trong cả ba cơ chế, nhiệt năng được truyền từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp

78

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*

hơn. Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt và đối lưu cần có vật trung gian còn bức xạ không cần.

Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là cơ chế truyền nhiệt mà trong đó nhiệt năng được truyền từ điểm này đến điểm khác thông
qua sự tương tác giữa các nguyên tử hoặc phân tử vật chất. Sự dẫn nhiệt sảy ra trong thể rắn, thể lỏng
và thể khí.

Trong cơ chế dẫn nhiệt không có sự chuyển dịch của chất tải nhiệt. Các chất khí dẫn nhiệt do sự va
chạm trực tiếp giữa các phân tử chuyển động và độ dẫn nhiệt của chúng thấp so với các chất rắn là do
mật độ phân tử loãng hơn. Sự dẫn nhiệt trong các chất lỏng tương tự như trong các chất khí, ngoại trừ
trạng thái phức tạp hơn đáng kể do các phân tử chất lỏng gần nhau hơn rất nhiều và các trường lực

phân tử có tác động mạnh hơn trong quá trình trao đổi năng lương khi va chạm. Các chất rắn phi kim
truyền nhiệt nhờ sự rung động của mạng phân tử nhưng không có sự chuyển dịch vật chất với tư cách là
chất tải nhiệt. Các kim loại dẫn nhiệt tốt hơn các phi kim ở nhiệt độ thông thường do chúng có các điện
tử tự do để tải nhiệt.

Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt tuân theo định luật Fourier, định luật này phát biểu rằng năng lượng được
truyền do dẫn nhiệt Qconduction tỷ lệ thuận với diện tích truyền nhiệt (A) và gradient nhiệt độ (dT/dx),
hoặc:

Qdẫn nhiệt = - K A (dT/dx)
Ở đây, K là hệ số dẫn nhiệt, phản ánh khả năng dẫn nhiệt của vật liệu. Đơn vị của K là W/m.oC hoặc
(Btu/s)/in.oF. Với lớp phẳng như hình minh họa, nhiệt năng của dẫn nhiệt được tính bằng:

Qdẫn nhiệt = - K A ( THot - TCold )/L




Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số dẫn nhiệt (K)


Với đĐa sa số các vật liệu, K thay đổi theo nhiệt độ. Nó tăng cùng với nhiệt độ trong các chất khí tại áp

79

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG

-
DCL*

suất thấp, nhưng có thể tăng hoặc giảm trong các kim loại hoặc chất lỏng.

Bảng dưới đây cho thấy hệ số dẫn nhiệt (W/m.độ K) thay đổi theo nhiệt độ (độ K) với một số vật liệu:






Đối lưu

Đối lưu là kiểu truyền nhiệt mà trong đó, nhiệt được truyền giữa một bề mặt rắn và dòng chất lỏng (hoặc
khí) chảy qua. Đối lưu có hai yếu tố:

• Năng lượng được truyền do chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử (khuếch tán) và
• Năng lượng được truyền do sự chuyển động vĩ mô của dòng chảy (advection).
Cơ chế đối lưu có thể giải thích như sau: khi lớp chất lỏng tiếp xúc với bề mặt nóng, nó sẽ nóng lên,
khiến mật tỷ trọng giảm xuống (tại một áp suất không đổi, tỷ trọng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ) và làm lớp
chất lỏng này nổi lên. Phần chất lỏng lạnh hơn (nặng hơn) gần bề mặt sẽ thay thế phần chất lỏng nóng
và tạo thành dòng chuyển động bên trong chất lỏng.





Nhiệt năng trao đổi giữa chất lỏng có nhiệt độ Tfvà bề mặtrắn diện tích A có nhiệt độ Tstuân theo định
luậtNewton có thể viết như sau:



80

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*

Qđối lưu = h A (Ts - Tf)
Ở đây, h là hệ số truyền nhiệt bằng đối lưu. Đơn vị của h là W/m2.K hoặcBtu/s.in2.F. Hệ số truyền nhiệt
đối lưu h phụ thuộc vào sự chuyển động của chất lỏng, hình dạng và các thuộc tính vật lý, nhiệt động.

Nói chung, có hai kiểu truyền nhiệt đối lưu:

Đối lưu tự nhiên (tự do)

Chuyển động của chất lỏng sát bề mặt rắn là do lực đẩy gây nên bởi sự thay đổi tỷ trọng của chất lỏng
do chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt rắn và chất lỏng. Khi lớp chất lỏng nóng tách khỏi bề mặt rắn đi lên
để chất lỏng lạnh đi xuống chiếm chỗ và nhận nhiệt, tỷ trọng của nó tăng lên và vì thế, nó lại đi lên.






Đối lưu cưỡng bức


Một tác nhân bên ngoài như quạt hoặc bơm được dùng để tăng tốc dòng chảy trên bề mặt rắn. Chuyển
động nhanh của phần chất lỏng trên bề mặt rắn sẽ làm tăng độ chệnh lệch nhiệt độ và tăng cường độ
trao đổi nhiệt.






Hệ số đối lưu

Định luật Newton về trạng thái làm lạnh nói rằng nhiệt năng trao đổi từ một bề mặt có nhiệt độ Ts đến
dòng chảy bên trong chất lỏng có nhiệt độ Tf được cho bởi phương trình:


81

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*

Qđối lưu = h A (Ts - Tf)
Ở đây, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu h có đơn vị W/m2.KhoặcBtu/s.in2.F. Hệ số h không phải là một thuộc
tính nhiệt động. Hệ số h thuần túy chỉ liên quan đến trạng thái chất lỏng và các điều kiện dòng chảy, do
vậy, nó thường được gọi là thuộc tính dòng chảy.


Đối lưu được gắn với khái niệm của một lớp biên như là một lớp mỏng chuyển tiếp giữa một bề mặt
được coi là nằm sát với các phân tử không chuyển động và dòng chất lỏng. Điều này được minh họa
như sau:




Ở đây, u(x,y) là tốc độ theo phương x. Vùng bên dưới cạnh ngoài của lớp chất lỏng, cạnh ngoài được
xác định bằng 99% tốc độ dòng chảy tự do, được gọi là lớp biên chất lỏng có chiều dày d(x).

Một hình tương tự cũng có thể dùng để mô tả sự chuyển tiếp nhiệt độ từ bề mặt rắn đến chất lỏng. Lưu ý
rằng độ dày lớp biên nhiệt độ không nhất thiết phải bằng độ dày lớp biên tốc độ. Các thuộc tính của chất
lỏng tạo nên số Prandtl sẽ quy định độ dày tương đối của hai lớp biên này. Một số Prandtl bằng 1 có
nghĩa là hai lớp này bằng nhau.





Cơ chế truyền nhiệt thực tế qua lớp biên này là dẫn nhiệt, theo phương y, qua chất lỏng tĩnh sát bề mặt
rắn, nhiệt lượng dẫn nhiệt này bằng nhiệt lượng đối lưu từ lớp biên vào chất lỏng. Có thể viết:

h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s
Do đó, hệ số đối lưu của một trạng thái đã cho có thể xác định bằng cách đo nhiệt lượng truyền qua và
chênh lệch nhiệt độ hoặc bằng cách đo gradient nhiệt độ lớp biên.

Đo gradient nhiệt độ qua lớp biên cần có độ chính xác cao và nói chung chỉ thực hiện được trong phòng
thí nghiệm. Nhiều sổ tay kỹ thuật có bảng tra hệ số truyền nhiệt đối lưu cho các cấu hình khác nhau.


82

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*


Bảng dưới đây cho thấy một số giá trị điển hình của hệ số truyền nhiệt đối lưu:




Bức xạ

Bức xạ nhiệt là nhiệt năng được phát ra từ vật thể dưới dạng sóng điện từ, do nhiệt độ của nó. Tất
cả các vật thể có nhiệt độ trên không tuyệt đối (không độ K) đều phát ra nhiệt năng. Do sóng
điện từ truyền qua cả chân không, nên bức xạ không cần vật trung gian. Hình minh họa sau đây
cho thấy giải bước sóng của bức xạ nhiệt so với các bức xạ khác (tia X, tia gamma, tia vũ trụ,
v.v…):




Nhiệt năng của Mặt trời đi tới Trái đất là nhờ bức xạ. Do sóng điện từ di chuyển với tốc độ ánh
sáng, nên bức xạ là cơ chế truyền nhiệt nhanh nhất.






83

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*

Các định nghĩa cơ bản về bức xạ

Dưới đây là các tên gọi chung, được dùng trong lĩnh vực bức xạ nhiệt và các định nghĩa của
chúng.

Vật đen: Vật bức xạ lý tưởng, phát ra và hấp thụ bức xạ tối đa tại mọi nhiệt độ và bước sóng.
Một ví dụ của vật đen là một lỗ hở nhỏ của một hốc nóng.

Độ rọi (Irradiation): Mức độ bức xạ đi tới bề mặt theo mọi hướng, tính trên đơn vị diện tích.

Độ bức xạ (Radiosity): Mức độ bức xạ đi ra khỏi bề mặt theo mọi hướng, tính trên đơn vị diện
tích.

Hấp thụ (αλπηα
αλπηααλπηα
αλπηα): Phần bức xạ bị bề mặt hấp thụ.


Phản xạ (ρ
ρρ
ρô): Phần bức xạ bị bề mặt phản xạ. Phản xạ của vật đen bằng không.

Xuyên qua (Transmissivity - τ
τ τ
τô): Phần bức xạ xuyên thấu qua bề mặt. COSMOSWorks giả thiết
rằng sự xuyên qua của bức xạ.

Tương quan giữa hấp thụ, phản xạ và xuyên qua của một bề mặt:




Công suất phát xạ (E): Mức độ bức xạ phát ra từ bề mặt theo mọi hướng tính trên đơn vị diện
tích, đơn vị của E là W/m^2.

Hệ số bức xạ (επσιλον
επσιλονεπσιλον
επσιλον): Tỷ lệ giữa công suất phát xạ của một bề mặt so với công suất phát xạ
của vật đen tại cùng nhiệt độ,


Ở đây. Eb là công suất phát xạ của vật đen tại cùng nhiệt độ.
Hệ số bức xạ ε của một bề mặt là hàm của nhiệt độ.

84

SOLIDWORKS

-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*


Định luật Stefan-Boltzmann

Định luật Stefan-Boltzmann phát biểu rằng tổng công suất phát xạ của vật đen, Eb, được cho bởi:

Ở đây, σ là hằng số Stefan-Boltzmann và T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen. Giá trị của hằng số
Stefan-Boltzmann bằng 5.67x10-8 W/m^2 K^4 hoặc 3.3063 x 10-15 Btu/s.in^2.F^4.

Sự thay đổi phổ bức xạ vật đen được mô tả bởi phân bố Planck. Tích phân của định luật phân bố
Planck trên tất cả các bước sóng (λ) sẽ được định luật Stefan-Boltzmann.

Khi một vật đen có bề mặt diện tích (A) đặt trong môi trường có nhiệt độ Ta, năng lượng bức xạ
nhiệt của vật đen được xác định bởi:

Ở đây:
Ts = Nhiệt độ tuyệt đối của vật đen
Ta = Nhiệt độ tuyệt đối của môi trường

Phát xạ từ các bề mặt thực

Định luật Stefan-Boltzmann đối với sự trao đổi nhiệt bằng bức xạ giữa các vật đen và môi trường
có thể hiệu chỉnh để dùng cho các bề mặt thực. Với các bề mặt không phải là vật đen, cường độ
phổ bức xạ không tuân theo phân bố Planck.


Định luật Stefan-Boltzmann đã được hiệu chỉnh cho vật không đen (vật xám) thành:

Ở đây, ε là hệ số phát xạ của bề mặt bức xạ, được xác định bằng tỷ lệ giữa công suất phát xạ của
bề mặt xám này và công suất phát xạ của vật đen tại cùng nhiệt độ. Các vật liệu có giá trị hệ số
phát xạ trong khoảng giữa 0 và 1.0. Một vật đen dĩ nhiên có hệ số phát xạ bằng 1 và một vật
phản xạ toàn phần có hệ số phát xạ bằng không.

Hệ số phát xạ là một thuộc tính của vật liệu, vốn phụ thuộc vào nhiệt độ và độ bóng bề mặt.
Bảng dưới đây liệt kê các giá trị hệ số phát xạ của một số vật liệu:



85

SOLIDWORKS
-
COSMOSWorks *Đ
ÀO CHI L
ĂNG
-
DCL*