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传热模型 IntroductoryFLUENTTraining 大纲 EnergyEquation能量方程WallBoundaryConditions壁面边界条件ConjugateHeatTransfer耦合传热Thinandtwo sidedwalls薄面及两面壁面NaturalConvection自然对流RadiationModels辐射模型Reporting Export报告 导出 能量方程 能量输运方程每单位质量的能量E定义为 能量E中的压力和动能项在基于密度的求解器中会自动加入 在基于压力的求解器中会忽略 可以通过命令行打开Define models energy 能量方程 Conduction传导 SpeciesDiffusion物质扩散 ViscousDissipation粘性耗散 能量方程 粘性耗散项 能量方程 粘性耗散项 由于耗散造成的能量源项viscousheating粘性剪切作用产生的热量当粘性剪切力大或者高速可压流动中较重要通常可以忽略在基于压力求解器中缺省不含在基于密度求解器中包含当Brinkman数接近或超过1时比较重要 能量方程 物质扩散项 能量方程 物质扩散项 由于组分扩散造成的能量源项包括由于物质扩散造成的焓的输运效果默认在基于密度的求解器中包含在基于压力的求解器下可以关闭 能量方程其它项 能量方程其它项 由化学反应引起的能量源项各种组分的生成焓各种组分的体积反应率辐射引起的能量源项相间能量源项包括连续相和离散相之间传热DPM 喷雾 粒子等 固体区域的能量方程 固体区域的能量方程 计算固体区域的热传导能量方程可以使用各项异性的传导率 仅限于压力求解器 壁面边界条件 壁面边界条件 五种热量条件Radiation辐射外部物体传热给壁面给出发射率和混合组合对流和辐射边界条件壁面材料可以定义一维方向的厚度和导热计算 耦合传热 耦合传热 能够计算固体热传导 并且与流体的对流换热耦合耦合边界条件对任意分隔两个单元体的壁面区域适用 Grid Temperaturecontours Velocityvectors Example CoolingFlowoverFuelRods 耦合传热举例 Circuitboard externallycooled k 0 1W m Kh 1 5W m2 KT 298K AirOutlet AirinletV 0 5m sT 298K 耦合传热举例 ElectronicChip onehalfismodeled k 1 0W m KQ 2Watts Topwall externallycooled h 1 5W m2 KT 298K SymmetryPlanes 举例 网格和边界条件 举例 网格和边界条件 Flowdirection Board solidzone Chip solidzone 2Wattssource ConvectionBoundary1 5W m2K298Kfreestreamtemp Convectionboundary1 5W m2K298Kfreestreamtemp Air fluidzone 举例 问题设置 举例 问题设置 温度分布 主视图和顶视图 温度分布 主视图和顶视图 Flowdirection Board solidzone Chip solidzone 2Wattssource ConvectionBoundary1 5W m2K298Kfreestreamtemp Convectionboundary1 5W m2K298Kfreestreamtemp Air fluidzone FrontView TopView Flowdirection 耦合传热设置 耦合传热设置 另一种建模策略 另一种建模策略 电路版 board 可以定义为带厚度的壁面 wall 在这种情况下 不需要给下层的固体区域画网格 壁面热传导的两种方式 壁面热传导的两种方式 带网格壁面能量方程在代表壁面的固体区域上求解壁面厚度必须网格化这是最精确的方式 但是需要更多的网格因为在壁的两个面上都有单元体所以经常使用耦合的热边界条件薄壁人工模拟壁厚 在壁的边界条件面板定义 只对内部壁面使用耦合的热边界条件 Fluidzone Solidzone Wallzone withshadow Fluidzone 壁面热阻抗在能量方程中直接得到 壁厚上的温度分布通过计算得到 双向传热计算 壁面热阻抗使用人工壁厚和材料类型计算 壁厚上的温度分布假设是线性的 传导只在壁面法向方向计算 Wallzone noshadow 薄壁模式的温度定义 薄壁模式的温度定义 薄壁模式只计算法向传导 没有平面传导 而且没有生成实际上的单元体壁面热边界条件在外层得到应用 Thermalboundaryconditiononwall Statictemperature cellvalue Thinwall nomesh Walltemperature outersurface Walltemperature innersurface 壁面传热的壳传导选项 壁面传热的壳传导选项 壳传导选项用来激活平面内部的传导计算生成了附加的导热单元体 但不能显式也不能从UDF中存取传导区域的固体属性必须是常量 不能作为温度的函数 自然对流 自然对流 流体被加热 流体密度随着温度变化而变化重力作用在变化的密度上引起流动当考虑重力项时 动量方程中的压力梯度和体积力项可以表达为 where 自然对流 Boussinesq模型 自然对流 Boussinesq模型 Boussinesq模型假设只有动量方程的浮力项中密度是随温度变化的 此之外流体密度相同的 我们有 对许多自然对流流动来说该模型提供了比使用流动密度作为温度函数收敛更快的方法密度不变假设减弱了非线性当密度变化较小时适用不能和多组分传输或者反应流同时使用自然对流问题在封闭的计算域内对于定常求解器 Boussinesq模型必须使用对于非定常求解器 可以使用Boussinesq模型或理想气体状态方程 自然对流的用户输入设置 自然对流的用户输入设置 定义重力加速度定义密度模型如果使用Boussinesq模型选择boussinesq作为Density方法并且指派固定的值 0设置热膨胀系数 设置工作温度T0如果使用独立温度函数模型 e g 理想气体或多项式 指定工作密度允许FLUENT从单元体的平均值开始计算 0 默认 每一个迭代步 Define OperatingConditions Define Materials 辐射 辐射 当辐射热与对流热和传导热为一个量级或者较大时需要考虑辐射 要考虑辐射 就需要解辐射强度输运方程辐射强度 I r s 具有方向性和空间性辐射强度的输运机制Localabsorption局部吸收Out scattering scatteringawayfromthedirection 外散射Localemission局部发射In scattering scatteringintothedirection 内散射在FLUENT中可用的五个辐射模型DiscreteOrdinatesModel DO DiscreteTransferRadiationModel DTRM P1RadiationModelRosselandModelSurface to Surface S2S DOM模型 DOM模型 由辐射传输方程解出离散有限立体角 s优点保证了能量平衡使用更好的离散化能够增加精确度用途最为广泛的辐射模型散射 半透明介质 镜面 与波长相关的能量传输局限性对CPU要求较高 Absorption吸收 Emission发射 Scattering散射 DTRM辐射模型 DTRM辐射模型 一定角度内的射线束作为一条射线来处理沿着每条射线使用光线跟踪技术来进行辐射强度的积分优点 模型相对简单 随着射线数量的增加而增加精确度应用于大范围的光学厚度局限性 假设所有的面都是漫反射的不包括散射效果处理大量的射线会对CPU要求很高 P 1模型 P 1模型 不考虑RTE方程的方向性 仅为入射辐射的扩散方程优点 辐射传输方程求解对CPU要求较低包括散射效果包括粒子 水滴和煤烟效果在光学厚度比较大的地方能够工作得比较好 比如燃烧室 局限性 假设所有表面是漫反射的如果光学厚度小的话可能导致精确度下降 依赖于几何的复杂性 Surface to Surface辐射模型 Surface to Surface辐射模型 面对面的辐射模型能够用于没有介质参与的状态下的辐射例如 太空船热损耗系统 太阳能收集系统 辐射空间加热器 以及汽车冷却器S2S是基于视角的模型假设没有介质参与局限性面对面模型假设所有面是漫反射的假设灰体辐射当面的数量增加时内存需求会急剧上升Memoryrequirementscanbereducedbyusingclustersofsurfacefaces 使用面组能够降低内存要求不能与周期或者对称边界条件一起使用 太阳能模型 太阳能模型 太阳能模型对太阳能辐射传递模型适用的光线跟踪法则 和所有辐射模型都兼容并行求解器可以使用只用于三维参数定义太阳光矢量方向阳光强度 直射 散射 瞬态工况太阳能方向矢量会进行相应改变指定 每一次太阳能更新的时间步 选择辐射模型 选择辐射模型 对于特定问题 一般情况下使用一个辐射模型计算花费 P1在较少计算量的情况下可以得到合理的精确度精确度 DTRM和DOM更精确光学厚度 DTRM DOM对于薄光学介质更好 L 1 P1对于厚光学介质更好 散射 P1和DOM适用于散射粒子效果 P1和DOM适用于气体和粒子之间的辐射交换局部热源 DTRM DOM对于处理大量的射线问题更合适 Define Models Radiation 报告 热流量 报告 热流量 热流量报告推荐使用热平衡检查来确定解是否真的收敛导出热流数据可以导出壁面上的热流量数据到文件中 包括辐射 使用文本界面 file export cu