ANSYS热辐射.docx

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1、ANSYS热辐射第六章 热辐射分析 6.1热辐射的定义 热辐射是一种通过电磁波传递热能的方式。电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。热辐射只在电磁波的频谱中占小部分的带宽。由于辐射产生的热流与物体表面的绝对温度的四次方成正比，因此热辐射有限元分析是高度非线性的。物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律： 式中：物体表面的绝对温度； Stefan-Boltzmann常数，英制为0.11910-10 BTU/hr-in-R，公制为5.6710-8 6.2基本概念 下面是对辐射分析中用到的一些术语的定义： 黑体 黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的

2、物体； 通常的物体为灰体，即PreprocessorCreateElementsSurf EffectExtra Node Main MenuPreprocessorCreateElementsSurf EffectNo extra Node 在执行上述命令之前，要确定首先激活了相应的单元类型及材料属性，如果不同辐射面的辐射率不同，建议用材料编号来区分这些面。还要注意SHELL57或LINK32的节点一定要与相应实体单元对应节点编号重合。否则计算结果将是错误的。 所覆盖的SHELL57或LINK32单元的方向是非常重要的。AUX12假设辐射方向是SHELL57单元坐标系的正Z向或LINK32单

3、元坐标系的正Y向，因此必须正确地划分覆盖层的网格以使辐射面相对。单元的方向是由节点的排列顺序决定的，如下图所示: 图6-3 覆盖单元的方向 显示单元辐射方向的方法如下： 命令：/PSYMB,ESYS,1 GUI: Utility MenuPlotCtrlsSymbols, 将ESYS Element Coordinate设置为ON。 定义一个空间节点，用于吸收没有被模型中其它辐射面吸收的辐射能量。这个节点的位置是任意的，对于一个开放系统通常需要空间节点，而对于封闭系统则不得设置空间节点 6.6.2生成辐射矩阵 计算辐射矩阵可按如下的步骤完成： 1进入Aux12 命令：/AUX12 GUI：Ma

4、in MenuRadiation 2. 选择构成辐射面的节点和单元。较简便的方法是根据单元属性选择选择单元，然后选择所有Attached to单元的节点: 命令：ESEL,S,TYPE和NSEL GII:Utility MenuSelectEntities 3. 确定所分析的模型是3D还是2D 命令：GEOM GUI:Main MenuRadiation MatrixOther Settings AUX12采用不同的算法分别计算2D和3D模型的形状系数，AUX12默认为3D。2D可以是平面的，也可以是轴对称的，缺省为平面的。轴对称模型在内部展成3D，NDIV是圆周方向分割数量。例如NDIV10

5、，则每段为36度。 4确定辐射率： 命令：EMIS GUI:Main MenuRadiation MatrixEmmisivities 5. 定义Stefan-Baltzmann常数。 命令：STEF GUI：Main MenuRadiation MatrixOther Settings 6. 确定计算形状系数的方法。 命令：VTYPE GUI:Main MenuRadiation MatrixWrite Matrix 可选择非隐藏或隐藏两种方法之一，非隐藏方法计算每个单元对其它单元的形状系数，无论两单元之间是否有阻碍；隐藏方法首先用隐藏线算法确定两单元之间是否可见，如果目标单元与辐射单元的辐

6、射方向指向对方，而且设有其它单元阻碍，则它们是可见的，形状系数按如下方法计算： 每一个辐射单元被封闭成一个半径为单位值的半球或半圆； 所有的目标单元向这个半球或半圆投影； 一定数量的射线由辐射单元面投向半球或半圆。这样，形状系数就是投到投影面上的射线数量与辐射面发出的射线的数量之比，通常设定的射线数量越多，形状系数的精度越高。可以通过设定VTYPE命令的变量NZONE或上述的菜单来设定射线数量 7如果有必要，应指定空间节点： 命令：SPACE GUI:Main menuRaditionMatrixOther Settings 8将辐射矩阵写到文件jobname.sub中,如果想要写更多的辐射矩

7、阵，为不同的矩阵指定不同的文件名： 命令：WRITE GUI: Main MenuRadiation MatrixWrite Matrix 如果需要打印出辐射矩阵，应在执行Write命令之前执行命令：mprint,1。 9选择所有节点及单元 命令：ALLSEL GUI:Utility MenuSelectEverything 现在就已经将辐射矩阵作为一个超单元写入到一个文件中了。 6.6.3 使用辐射矩阵进行热分析 生成了辐射矩阵之后，重新进入前处理器，定义作为超单元的辐射矩阵。步骤如下： 1重新进入前处理器，选择单元MATRIX50，并设置单元Keyoption为热辐射分析。 命令：/PRE

8、P7 GUI： Main MenuPreprocessor 2设置缺省单元类型为超单元 命令：TYPE GUI:Main MenuPreprocessorCreateElementElem Attributes 3读入辐射超单元矩阵 命令：SE GUI:Main MenuReprocessorCreateElementsSuper elements-From .SUB 4不选择或删除用于生成辐射矩阵的SHELL57或LINK32单元,因为在热分析中已经不再需要了。 命令：EDELE GUI:Main MenuPreproccssorModelingDeleteElements 5进入求解器，定

9、义空间节点的热边界条件，空间节点的典型热边界为温度，也可能是热流率。边界条件应能够反映被模拟的环境的真实情况。 命令：D,F GUI:Main MenuSolutionLoads-Apply 6其它步骤与普通热分析相同 6.7使用空间节点的几点建议 尽管模拟热辐射并不总是需要定义空间节点，但使用或不使用空间节点可能会明显影响计算精度，分析中请注意有关空间节点的如下几点： 6.7.1对于非隐藏方法 用非隐藏方法计算形状系数，不对空间节点做特别的考虑，也可以得到系统足够精确的解。通常对于封闭系统不应定义空间节点；而对于开放系统应当定义。只有当开放系统中含有灰体时，才必须定义一个空间节点，以保证计算

10、精度。 6.7.1对于隐藏方法 AUX12中形状系数计算的精度会影响到空间节点的辐射计算，由于计算的误差在空间节点上累积，在封闭或接近封闭系统中空间节点形状系数的相对误差会过大。 使用隐藏方法时，可能会需要增大计算形状系数时的射线数量，并细化网格，以便得到更精确的形状系数。如果上述方法不能实施，可考虑如下建议： 对于封闭系统，即所有的辐射面形成一个封闭空间，不向外界辐射，不要使用空间节点。 如果问题的实质允许只模拟辐射面间辐射，那就不要定义空间节点。这种情况仅对黑体有效。 对于一个接近封闭的系统，如果必须考虑向空间的辐射，可以在开口处划分网格，并将开口处节点的温度自由度约束为空间温度。这样，空

11、间形状系数的计算更精确。 对于有明显空间损失的开放系统，可以使用空间节点来计算辐射损失，这样中等的网格密度及射线数量会得到足够精度的结果。 6.8使用AUX12的几点注意事项 只有所有的辐射面之间可以完全地看到对方时，才能使用非隐藏方法。否则形状系数的计算是错误的，热分析的结果不正确甚至不会收敛。 隐藏方法需要明显更长的计算时间，所以只有辐射面间有障碍存在或无法分组计算时才选用。 对于有些情况可以对辐射面分组，各组之间在辐射传热上是完全独立的。由于在一个组中的辐射面之间没有阻碍，可以用非隐藏方法计算形状系数，分别写入辐射矩阵文件。这样可以节省大量CPU时间。要对辐射面进行分组，在写矩阵之前选择

12、的需要的辐射面组。 对于隐藏方法，增大射线数量会提高形状系数的计算精度。 无论是隐藏的方法还是非隐藏的方法，通常辐射表面的网格越细，越规则，形状系数计算精度越高。但是，对于隐藏法而言，如果要得到相同精度的形状系数，其对网格的要求比非隐藏法更高。如果网格太差，即使将射线的数量增加到其最大值，也无法获得所需的求解精度。 对于轴对称情况，NDIV设为20，可以得到足够精度的形状系数。单元在拓展到3D时应有合理的形状。 用于生成2D辐射矩阵的LINK32单元，并不直接支持轴对称选项。因此，对于轴对称模型，确认在运行热分析以前删除或不选择此单元。 理论上讲，对于封闭系统，由任意一个辐射表面到所有其它辐射

13、面的形状系数的和为1；对于开放系统则应小于1。可以通过执行MPRINT,1命令将形状系数如下打印出来*FORM FACTORS * TOTAL = Value，由此可检查每一个辐射面形状系数的计算是否正确。如果超过1则肯定错误。尤其在两辐射面间有障碍时，不留意地使用了非隐藏方法计算，就会出现这种情况。 6.9Radiosity求解器方法 只有ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical，ANSYS/Thermal等产品提供Radiosity求解器。该方法可以求解多个面间的常规热辐射问题，适用于所有含温度自由度的二维和三维单元。 定义辐射面； 定义求解选项； 定义形状系

14、数选项； 计算并查询形状系数。 定义载荷选项 6.9.1定义辐射面 在PREP7中创建三维几何模型并划分实体网格。需要注意的是这种方法不支持对称条件，因此所有参与热辐射的表面必须全部建模。辐射表面为3D模型中的面或2D模型中的边。该方法允许有多达10个独立的辐射对，辐射对含有相互间有辐射换热的面。 用SF、SFA、SFE或SFL命令定义每一个辐射面的辐射率及辐射对编号。对于所有相互之间有热辐射作用的辐射面，使用同一个辐射对编号。如果辐射率与温度有关，可在上述命令中定义VALUEN，此时，对于材料N，其辐射率的值由EMIS性质表确定。 验证是否为已定义的表面指定了正确的辐射率、辐射对编号及辐射方

15、向。 命令：/PSF GUI：Utility MenuPlotCtrlsSymbols 在SHELL57或SHELL157号单元上施加辐射载荷时，必须为其内外表面的方向指定合适的编号。可使用SF，SFA，SFE命令来施加这些载荷。SF和SFA命令仅将辐射表面载荷施加在壳单元的1号面上，如果要在2号面或两个面上都施加辐射表面载荷，请适用SFE命令。有关这两种单元的表面方向和编号请参见ANSYS Element Reference。 6.9.2设定分析选项 对于辐射分析，必须要设定相应单位制下的Stefan-Boltzmann常数： 命令：STEF GUI:Main MenuPreprocesso

16、rLoadsSolution Option Main MenuRadiationSolution Option Main MenuSolutionSolution Option 如果当前使用的温度制为摄氏或华氏，应定义一个温度偏移量将其转化到绝对温度： 命令：TOFFST GUI:Main MenuPreprocessorLoadsSolution Option Main MenuRadiationSolution Option Main MenuSolutionSolution Option 设定求解器，选择直接求解器或迭代求解器。同时也可以设定热流密度的松弛系数和收敛精度： 命令：RADO

17、PT GUI:Main MenuPreprocessorLoadsSolution Option Main MenuRadiationSolution Option Main MenuSolutionSolution Option 如果分析的是一个开放系统，必须定义环境温度或为每个辐射对定义环境节点，设定环境辐射空间温度的方式如下： 命令：SPCTEMP GUI:Main MenuPreprocessorLoadsSolution Option Main MenuRadiationSolution Option Main MenuSolutionSolution Option SPCTEMP命

18、令定义每个辐射对的空间温度，同时，也可用该命令显示或删除所有已定义的空间温度。为每个辐射对设定空间节点的方式如下： 命令：SPCNOD GUI:Main MenuPreprocessorLoadsSolution Option Main MenuRadiationSolution Option Main MenuSolutionSolution Option 如果前面提到的环境是分析模型中的另外一个实体，则必须对每个辐射对用SPCNOD命令为环境辐射定义空间节点。Radiosity求解器将在空间节点上指定的温度作为环境温度。可用该命令显示或删除所有已定义的空间节点。 6.9.3定义形状系数选项

19、 对于三维或二维模型，要计算新的形状系数，可用如下方式定义各种选项： 命令：HEMIOPT GUI:Main MenuPreprocessorLoadsView Factor Option Main MenuRadiationView Factor Option Main MenuSolutionView Factor Option 该命令设置采用半立方法计算形状系数时的分辨率，默认值为10，此值越高，形状系数的计算精度越高。 选择计算2D模型的形状系数的选项：可将2D模型定义为2D平面或轴对称、可设定轴对称模型的划分区间数、可选择隐藏和非隐藏选项、可设定形状系数计算的区域数。 命令：V2DO

20、PT GUI:Main MenuPreprocessorLoadsView Factor Option Main MenuRaduiationView Factor Option Main MenuSolutionView Factor Option 设定是否需要重新计算形状 命令：VFOPT GUI:Main MenuPreprocessorLoadsView Factor Option Main MenuRadiationView Factor Option Main MenuSolutionView Factor Option VFOPT，opt设置为NEW时，则程序重新计算形状系数并将

21、其保存在一个文件中。如果数据库中已经有了形状系数，则该命令可以关闭对形状系数的计算。在第二次执行SOLVE命令时，OFF是默认值，即不重新计算形状系数而直接读取第一次求解的形状系数。如果第一次求解后形状系数发生较大改变，需要重新计算形状系数，则应在第二次求解前，将此值设定为NEW，重新计算形状系数。 6.9.4计算并验证形状系数选项 然后可以计算形状系数，并验证和得到平均值。 计算并存储形状系数： 命令：VFCALC GUI：Main MenuRadiationCompute 可用如下命令列出所选择单元对的形状系数并计算平均系数： 命令：VFQUERY GUI:Main MenuRadiati

22、onQuery 用如下命令可将平均系数提取出来： *GET,Par,RAD,VFAVG 6.9.5设定载荷选项 如果模型有均匀的温度，本步将设定初始温度。还需要定义载荷步并将边界条件的变化形式设定为渐变。 对所有节点设定初始的均匀温度 命令：TUNIF GUI:Main MenuSolutionSettingsUniform Temp 设定载荷步数量或时间步 命令： SUBST或DELTIM GUI:Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/FrequencFreq and Substps or Time and Substps Main M

23、enuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/FrequencTime-Time Step 由于热辐射是高度非线性的，应设定渐变的边界条件 命令： KBC GUI:Main MenuPreprocessorLoads-Load Step Opts-Time/FrequencyTime-Time Step 6.10静态热辐射分析的几点建议 对于只有热流密度(HFLUX)或热流率边界条件的热辐射问题，或热辐射作为热传递主导方式的问题，应采用伪瞬态求解方法来求解静态问题。主要有如下三个步骤： 1在定义材料属性时，定义材料的密度和比热为常值。设定这两个材料值的大小并

24、不重要，因为最终是求解稳态问题； 2将求解类型设定为瞬态问题 命令：ANTYPT GUI:Main MenuSolutionNew Analysis 3将准静态辐射分析求解为稳态问题 命令：QSOPT GUI:Main MenuPreprocessor-Load Step Options-Time/FrequencyQuasi-Static 只有当SOLCONTROL,ON时，QSOPT命令才有效。可用OPNCONTROL 命令设定稳态温度的误差。 与物体材料属性相关，在瞬态变化刚开始时，物体温度的变化量可能很小。开始时将QSOPT设置为ON，将结束时间设为默认值，可得到非静态的结果，按以下方

25、法可得到纯静态结果值: 用命令OPNCONTROL减小静态温度误差范围，这样可能会使计算时间延长； 增大最终时间值和时间步长值以便在后面获得大的温度改变。 6.11热辐射分析实例1 6.11.1 问题描述 在第五章实例1中考虑热辐射，冷却栅表面黑度为0.9，求解温度分布及与空气间的热流率。 使用隐藏方法 首先按第五章例1的命令流或菜单，求解未考虑热辐射时的温度分布。注意到表面单元可以转换为LINK32，使用隐藏方法生成一个辐射矩阵。然后再回到原来的分析，将此辐射矩阵作为超单元加入，求解温度分布。 6.11.2 菜单操作过程 6.11.2.1将单元类型2更换为LINK32 选择Main Menu

26、PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，点击Add，单元编号中输入2，选择LINK32，点击OK。 6.11.2.2创建空间节点，用于计算辐射到空气中的热流率 选择Main MenuPreprocessorCreateNodeOn Active CS，节点编号为NN+2, X坐标为6.5*fspc/2, Y坐标为hgt+0.2。 6.11.2.3选择所有单元为2的单元及节点 1、选择Utility MenuSelectEntitiesElementBy AttributesElement Type, 2, From Full，点击Apply。 2、选择U

27、tility MenuSelectEntitiesNodesAttached toElements, From Full，点击OK。 6.11.2.4将所选单元的第三节点修改为NN2 选择Main MenuPreprocessorMove/ModifyModify Nodes，点击Pick all，在Starting Location N 中输入3，New node number at location n中输入NN+2。 6.11.2.5定义辐射相关选项 1、定义黑度：选择Main MenuRadiation MatrixEmissivities，将材料2,3,4,5的黑度都设定为0.9，点

28、击OK。 2、设定定义斯蒂芬波尔兹曼常数、2D/3D、空间节点：选择Main MenuRadiation MatrixOther Setting，输入斯蒂芬波尔兹曼常数为0.119e-10，选择2D，空间节点为NN+2。 3、选择隐藏方式并生产辐射矩阵文件：选择Main MenuRadiation MatrixWrite Matrix，选择Hidden, 输入文件名bays，点击OK。 6.11.2.6再次进入前处理，恢复单元类型2为SURF151 选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，注意修改单元选项如第五章例1。 6.11.2

29、.7选择所有节点，并将SURF19单元的第三节点恢复为NN+1 1、选择Utility MenuSelectEntitiesNodesSelect all， 2、选择Main MenuPreprocessorMove/ModifyModify Nodes，点击Pick all, 在Starting Location N 中输入3, 在New node number at location n中输入NN+1。 3、选择Utility Menu:SelectSelect Everything。 6.11.2.8定义热分析的超单元 1、选择Main Menu:PreprocessorElement

30、TypeAdd/Edit/Delete，选择SuperElement 50，在单元属性中设置element behavior 为Ration Substr。 2、选择Main MenuPreprocessorCreateElementElements Attribute 设置单元类型为3，材料为1。 3、选择Main MenuPreprocessorCreateElementFrom .sub file，输入bays。 6.11.2.9求解 1、设定英制华氏度与英制绝对温度差值：选择Main MenuPreprocessorElement Type Add/Edit/Delete，输入460。

31、 2、约束空间节点NN+2的温度：选择Main MenuSolutionApplyTemperatureOn node，输入90。 3、求解：选择Main MenuSolutionsolve current CS。 6.11.2.10后处理 1、打印冷却栅与空气的热流率：选择Main MenuGeneral PostprocList ResustReaction Solu。 2、显示冷却栅温度分布：选择Utility MenuSelectEntitiesNodesBy Num/Pick, Unselect，点击OK，输入NN+1，NN+2，输入OK。 3、选择Main MenuGeneral

32、PostprocPlot ResustNodal SolutionTemperature。 6.11.3 等效的命令流方法 /prep7!重新进入前处理 et,2,link32!将单元2定义为LINK32 n,nn+2,6.5*fspc/2,hgt+.2!创建计算辐射到空气中热量的空间节点 esel,s,type,2!选择所有单元类型为2的单元 nsle,s!选择单元上节点 emod,all,3,nn+2!修改单元，将空间节点作为第三节点 eplot finish /aux12!进入辐射矩阵生成器 emis,2,.9!定义黑度 emis,3,.9 emis,4,.9 emis,5,.9 ste

33、f,0.119e-10!定义斯蒂芬波尔兹曼常数 geom,1!两维 vtype,0!隐藏方法 space,nn+2!空间节点为NN+2 write,bays!将辐射矩阵写入bays.sub文件 finish!退出辐射矩阵生成器 /prep7!再次进入前处理 et,2,surf19,1,1,1!将单元类型2重新定义为SURF19 keyopt,2,8,2 nsel,all emod,all,3,nn+1!修改单元，将孤立节点NN+1作为第三节点 allsel et,3,matrix50,1!定义单元类型3为超单元 type,3 mat,1 real,1 se,bays!读入bay3.sub中的辐

34、射矩阵 finish /solu toffst,460!设置英制绝对零度 d,nn+2,temp,90!定义空间节点NN+2的温度 solve!求解 finish ! 后处理 /post1 prrsol!求解冷却栅与空气的热流率 nsel,u,node,nn+1,nn+2 plns,temp!显示温度分布 finish 使用非隐藏方法 6.11.4 等效的命令流方法 /prep7 et,2,link32 n,nn+2,6.5*fspc/2,hgt+.2 esel,s,type,2 nsle,s emod,all,3,nn+2 eplot finish！以上与隐藏方法相同 /aux12 x=0

35、lsel,s,line,5+x,6+x！生成第一个辐射矩阵文件bay1.sub lsel,a,line,10+x,20+x,10 lsel,a,line,15+x,16+x,1 nsll,s,1 esln,s,1 /dist,1,1.21 /focus,1,1.1,0.6 eplot emis,2,.9 emis,3,.9 emis,4,.9 emis,5,.9 stef,0.119e-10 geom,1 vtype,1! 非隐藏方法 space,nn+2 write,bay1 allsel x=19! 生成第二个辐射矩阵bay2.sub lsel,s,line,5+x,6+x lsel,a,

36、line,10+x,19+x,9 lsel,a,line,15+x,16+x,1 nsll,s,1 esln,s,1 eplot emis,2,.9 emis,3,.9 emis,4,.9 emis,5,.9 stef,0.119e-10 geom,1 vtype,1 space,nn+2 write,bay2 allsel x=38! 生成第三个辐射矩阵bay3.sub lsel,s,line,5+x,6+x lsel,a,line,10+x,19+x,9 lsel,a,line,15+x,16+x,1 nsll,s,1 esln,s,1 eplot emis,2,.9 emis,3,.9

37、emis,4,.9 emis,5,.9 stef,0.119e-10 geom,1 vtype,1 space,nn+2 write,bay3 allsel x=57！生成第四个辐射矩阵文件bay4.sub lsel,s,line,5+x,6+x lsel,a,line,10+x,19+x,9 lsel,a,line,15+x,16+x,1 nsll,s,1 esln,s,1 eplot emis,2,.9 emis,3,.9 emis,4,.9 emis,5,.9 stef,0.19e-10 geom,1 vtype,1 space,nn+2 write,bay4 allsel x=76 !

38、生成第五个辐射矩阵文件bay5.sub lsel,s,line,5+x,6+x lsel,a,line,10+x,19+x,9 lsel,a,line,15+x,16+x,1 nsll,s,1 esln,s,1 eplot emis,2,.9 emis,3,.9 emis,4,.9 emis,5,.9 stef,0.119e-10 geom,1 vtype,1 space,nn+2 write,bay5 allsel lsel,s,line,61,64,3 ! 生成第六个辐射矩阵文件bay6.sub lsel,a,line,97 nsll,s,1 esln,s,1 eplot /dist,1,

39、auto /focus,1,auto emis,2,.9 emis,3,.9 emis,4,.9 emis,5,.9 stef,0.119e-10 geom,1 vtype,1 space,nn+2 write,bay6 allsel /prep7！再次进入前处理 esel,s,type,2！作与隐藏方法类似的修改 et,2,surf19,1,1,1 keyopt,2,8,2 nsel,all emod,all,3,nn+1 allsel et,3,matrix50,1 type,3 mat,1 real,1 se,bay1！依次读入矩阵文件 se,bay2 se,bay3 se,bay4 s

40、e,bay5 se,bay6 finish /solu toffst,460 d,nn+2,temp,90 solve！求解 finish /post1 prrsol！得到冷却栅与空气的热流率 nsel,u,node,nn+1,nn+2 plns,temp！得到温度分布 finish 6.12热辐射分析实例2 6.12.1 问题描述 如图所示，考虑两个圆环之间的相互辐射。内环的外表面的辐射率为0.9，内环的内表面保持温度为1500F。外环面的内表面的辐射率为0.7,其外表面温度为100F。外界空间温度为70F。 图6-4 辐射圆环 6.12.2 等效的命令流方法 /TITLE,RADIATION BETWEEN CIRCULAR ANNULUS ! Example for 2D radiation analysis using the radiosity method /PREP7 CYL4,0,0,.5,0,.25,180!定义内环参数 CYL4,0.2,0,1,0,.75,180! 定义外环参数 ET,1,PLANE55! 定义2D 热分析单元 LSEL,S,LINE,1 SFL,ALL,RDSF,.9, ,1,! 内环辐射边界条件 LSEL,S,LINE,7 SFL,ALL,RDS