FLUENT第六节传热模型PPT课件.ppt

第六节 传热模型 1 概要 能量方程壁面边界条件共轭传热薄壁和双面壁自然对流辐射模型报告 输出 2 能量方程 能量输运方程 单位质量的能量E 对可压缩性流体 或者密度基求解器 总是考虑压力做功和动能 对压力基求解器计算不可压流体 这些项被忽略 可以用下面的命令加入 define models energy Conduction SpeciesDiffusion ViscousDissipation Conduction Unsteady EnthalpySource Sink 3 固体域的能量方程 能计算固体域的导热能量方程 h显焓 固体域的各向异性导热系数 压力基求解器 4 壁面边界条件 五类热边界条件热流量温度对流 模拟外部环境的对流 用户定义换热系数 辐射 模拟外部环境的辐射 用户定义外部发射率和辐射温度 混合 对流和辐射边界的结合 壁面材料和厚度可以定义为一维或壳导热计算 5 共轭传热 CHT固体域的导热和流体域的对流换热耦合在流体 固体交界面使用耦合边界条件 CoolantFlowPastHeatedRods Grid VelocityVectors TemperatureContours 6 共轭传热例子 Circuitboard externallycooled k 0 1W m Kh 1 5W m2 KT 298K AirinletV 0 5m sT 298K ElectronicComponent onehalfismodeled k 1 0W m KHeatgenerationrateof2watts eachcomponent Topwall externallycooled h 1 5W m2 KT 298K SymmetryPlanes Airoutlet 7 问题设置 热源 在固体域加入热源模拟电子部件的生成热 8 温度分布 FrontView TopView imagemirroredaboutsymmetryplane 9 替代的模拟策略 可替代的策略为模拟壁面为一有厚度面 ThinWallmodel 这时 不需对固体域划分网格 10 对固体板划分网格vs 薄壁方法 对固体板划分网格在固体域求解能量方程l 板厚度需用网格离散最精确的方法 但需要多计算网格由于壁面两侧都有网格 总是应用耦合热边界条件 Fluidzone Solidzone Wallzone withshadow WallthermalresistancedirectlyaccountedforintheEnergyequation Through thicknesstemperaturedistributioniscalculated Bidirectionalheatconductioniscalculated 11 对固体板划分网格vs 薄壁方法 薄壁方法人工模型模拟壁面热阻壁面需要必要的数据输入 材料导热系数 厚度 只有对内部边界用耦合边界条件 Wallthermalresistanceiscalculatedusingartificialwallthicknessandmaterialtype Through thicknesstemperaturedistributionisassumedtobelinear Conductionisonlycalculatedinthewall normaldirectionunlessShellConductionisenabled 12 壳导热模型 壳导热模型处理板内部的导热求解器创建额外的导热单元 但不能显示 也不能通过UDF获得固体属性必须是常数 不能和温度相关 13 自然对流 当流体加热后密度变化时 发生自然对流流动是由密度差引起的重力驱动的有重力存在时 动量方程的压力梯度和体积力项重写为 其中 14 自然对流 Boussinesq模型 Boussinesq模型假设流体密度是不变的 只是改变动量方程沿着重力方向的体积力适用于密度变化小的情况 例如 温度在小范围内变化 对许多自然对流问题 Boussinesq假设有更好的收敛性常密度假设减少了非线性 密度变化较小时适合 不能和有化学反应的组分输运方程同时使用 封闭空间的自然对流问题对稳态问题 必须使用Boussinesq模型 非稳态问题 可以使用Boussinesq模型或者理想气体模型 15 自然对流的用户输入 在操作条件面板中定义重力加速度定义密度模型Boussinesq模型激活重力项 设置操作温度T0 选择Boussinesq模型 输入密度值 0 设置热膨胀系数 使用温度变化模型 idealgas Aungier Redlich Kwong polynomial 设置操作密度或让FLUENT从单元平均中计算 0 16 辐射 当和对流及导热换热相比 量级相当时 应该考虑辐射效应 Stefan Boltzmann常数 5 67 10 8W m2 K4 要考虑辐射 需求解辐射强度输运方程RTEs当地流体对辐射能的吸收 以及边界对辐射的吸收 把RTEs和能量方程耦合起来这些方程常常和流动方程分离求解 然而 他们也可以和流动耦合辐射强度 I r s 和方向及空间是相关的FLUENT中有五个辐射模型离散坐标模型 DOM 离散传输辐射模型 DTRM P1模型Rosseland模型lSurface to Surface S2S 17 选择辐射模型 指南 计算代价P1计算代价小 有合理的精度精度DTRM和DOM最精确 光学厚度DTRM DOM适合光学厚度小的模型 L 1 P1适合光学厚度大的模型 S2S适合零厚度模型散射只有P1和DO能考虑散射颗粒辐射P1和DOM能考虑气体和颗粒间的辐射换热局部热源适合用DTRM DOM带足够数量的射线 坐标计算 18 2020 2 7 19 附录 20 太阳辐射模型 太阳辐射模型太阳辐射能量的射线追踪算法 和其他辐射模型兼容允许并行计算 但射线追踪算法不能并行 仅适用3D特点太阳方向向量太阳强度 方向 散射 使用理论最大或气象条件计算方向和方向强度瞬态情况当方向向量是用太阳计算器算出的化 瞬态计算中太阳方向矢量会随时间改变设置 timestepspersolarloadupdate 21 能量方程源项 粘性耗散 粘性耗散引起的能量源项 也称为粘性加热对粘性剪切力大的流体 如润滑油 和高速可压缩流动比较重要常常忽略缺省的压力基求解器不包括 密度基求解器一般包括 当Brinkman数接近或超过1时重要 22 能量方程源项 组分扩散 多组分流中因为组分扩散引起的能量源项 包括了由于组分扩散引起的焓输运效应密度基求解器总包含在压力基求解器中可以不显示此项 23 能量方程 源项 化学反应流中由于化学反应引起的能量源项所有组分的生成焓所有组分的体积生成率由于辐射引起的能量源项相间能量源项 包括连续相和离散相间的传热DPM 喷雾 颗粒 24 薄壁中的温度分布 薄壁模型应用于法向导热 不生成实际的单元壁面热边界条件应用于外层 Thermalboundaryconditiononwall Statictemperature cellvalue Thinwall nomesh Walltemperature outersurface Walltemperature innersurface 25 薄壁和两侧壁面 薄壁方法中 壁面厚度不需划分网格在两个区域之间模拟薄层的材料求解器施加热阻 x k边界条件施加在外层面上 Thermalboundaryconditionsaresuppliedontheinnersurfaceofathinwall Exteriorwall user specifiedthickness Fluidorsolidcells Outersurface calculated Innersurface thermalboundaryconditionspecifiedhere Interiorwall user specifiedthickness Interiorwallshadow user specifiedthickness Thermalboundaryconditionsaresuppliedontheinnersurfacesofuncoupledwall shadowpairs Fluidorsolidcells Fluidorsolidcells 26 离散坐标模型 Scattering 在有限的离散立体角度 s上求解辐射输运方程 优势 守恒方法能保证粗的离散方式上实现热平衡通过更密的离散方式能提高精度最综合性的模型 考虑了散射 半透明介质 镜面以及波长相关的灰体模型局限性 求解大数量坐标耗费CPU过多 27 离散传输辐射模型 DTRM 主要的假设 特定范围角度的离开表面的辐射能用一束射线近似使用射线跟踪技术 沿着每条射线积分辐射强度优势 相对简单的模型增加射线数量能提高精度适用大范围的光学厚度局限性 假设所有表面是漫射的 不包括散射 求解大数量的射线耗费CPU过多 28 P 1模型 主要假设 对RTE积分后 和方向不再相关 导出入射辐射的扩散方程优势 辐射传热方程更易求解 耗费资源少包括散射效应颗粒 液滴和烟灰的影响对光学厚度大的应用 如燃烧 较合理局限性 假设所有面都是漫射的如果光学厚度小的话 可能导致精度损失 取决于几何的复杂性 对局部热源或汇 预测的辐射热过高 29 Surface to Surface S2S 辐射模型 S2S辐射模型用于模拟介质不参与的辐射例如 太空飞船的排热系统 太阳能搜集系统 辐射加热器 汽车发动机舱散热等S2S是基于角系数的模型假设没有介质参与局限性 S2S模型假设所有面是散射的假设是灰体辐射随着表面数量的增加 存储和内存增加很快可以使用面族来减少内存使用面族不能和滑移网格及悬节点同时使用不能使用于周期性或对称边界条件 30 输出 ANSYS 输出扩展名为 rfl的ANSYS结果文件 读入到ANSYS的顺序为 在ANSYS中 到 GeneralPostprocData 及 FileOptions 读入FLUENT生成的文件到 ResultsSummary 点击第一行 能看到ANSYS 56 OUTPUT窗口显示的几何信息在ANSYS输入窗口 键入下面的命令 SET FIRST PREP7ET 1 142最后一个命令对应FLOTRAN3D单元 如果你使用二维计算 应改为 ET 1 141 在ANSYSMULTIPHYSICSUTITLITY菜单 选择Plot及Nodes或Elements 在下拉窗口的Results中 选择包括节点 31 输出 ANSYS 通过GUI或TUI输出ANSYS文件 file export ansysfile name文件包括坐标 连接关系及下面的标量 Density viscosityX Y Zvelocity pressure temperatureTurbulencekineticenergy turbulencedissipationrate turbulentviscosity effectiveviscosityThermalconductivity laminar turbulent effective Totalpressureandtemperature pressurecoefficient Machnumber streamfunction heatflux heattransfercoefficient wallshearstress specificheat 32 输出 ABAQUS 输出文件 file aba 包括坐标 连接关系 选择的载荷 域组 速度 选择的标量等只对三维模型有效 并且是固体域或固体域的表面流体域的传热系数不可写出下面命令对做流固交界面分析有用file export abaqusfile namelist of surfaces yes nolist of scalarsq 33 输出其他格式 NASTRAN PATRAN对于ABAQUS NASTRAN 和PATRAN 选择要写出的载荷 Force Temperature and orHeatFlux 来分析结