传热模型 Introductory FLUENT Training说课材料

传热模型传热模型 IntroductoryIntroductory FLUENTFLUENT TrainingTraining说课材料说课材料 传热模型Introductory FLUENTTraining Introductory FLUENT Notes FLUENT v6 3Decemberxx大纲 能量方程 壁面边界条件 变传热 薄壁和双面 墙 自然对流 辐射模型 报告 导出Introductory FLUENT Notes FLUENT v6 3Decemberxx能量方程 介绍 能量输运方程 每单位质量的能量E 定义为 压力工作和动能经常用来说明可压流动或者在使用密度求解 器时 对基于压力的求解器来说 它们可以省略而且可以通过文本命令添 加 Define models energy hjj jSV Jh Tk pE VtE eff eff22V phE 传导物质扩散粘性耗散Introductory FLUENT Notes FLUENT v6 3Decemberxx方程能量项 粘性耗散 能量源归因于耗散 也叫粘性加热 当粘性剪切在流动中 比如润滑油 非常严重或者在高速可压流动 中很重要 经常可以忽略 在压力求解器中缺省不含 在密度求解器中经常包括 当Brinkman数字接近或者超过1时时很重要 V effT kUe 2BrIntroductory FLUENT Notes FLUENT v6 3DecemberxxIntroductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx能量方程项 3 能量源由包含在化学反应流中的化学反应引起 各种物质的生成焓 各种物质的体积反应率 由包括辐射源项的辐射引起能量源 能量源 界面 包括在连续相和离散相之间传热 DPM 喷雾 粒子等 hjj jSV Jh Tk pE VtE eff effIntroductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx固体区域的能量方程 通过固体来计算热传导 的能力 能量方程 H是敏感的焓 在固体中各项异性的传导 率 只用于压力求解器 hS Tk hVth TTpdT chref T kij Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx壁面边界条件 五个热量条件 辐射 从模型外部传热 需要外部发射率和外部辐射温度 混合 联系对流和外部辐射边界条件 对一维热传导或壳的热传导计算中能 够壁面材料和厚度 传热计算Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx变化热传导 计算通过固体的热传导的能力 与流体对流中的传热耦合 耦合的边界条件对任意分隔两个单元体的 壁面区域适用用Grid Temperaturecontours Velocityvectors Example Cooling Flowover FuelRods Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx电路板 externally cooled k 0 1W m K h 1 5W m2 K T 298K空气出口空气进口V 0 5m s T 298K变化热传导举例电子芯片 one halfis modeled k 1 0W m K Q 2Watts顶部壁面 externally cooled h 1 5W m2 K T 298K对称面Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx举例 三维网格和边界条件流动方向板 soli d zone 芯片 solid zone 2Watts source对流边界1 5W m2K298K freestream temp 对流边界1 5W m2K298K freestream temp空气 fluid zone Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx问题设置 热源Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx温度分布 主视图和顶视图 Flow directionBoard 固体区域 芯片 固体区域 2Watts source对流边界1 5W m2K298K freestream temp 对流边界1 5W m2K298K freestream temp空气 流体区域 Front View Top ViewFlow directionIntroductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx变化热传导设置Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx改变建模策略 改变木板平面可以用定义的厚 度的墙面 薄墙模型 在这种情况下 不需要给下层的固体区域画 网格 代表木板的 Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx对于壁面热传导的两种方式 要画网格的壁面 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效果 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Fluid zoneSolid zoneWall zone with shadow Fluid zone壁面热阻抗在能量方程中直接说明 壁厚上的温度分布得到计 算 双向热传导得到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得到计算Wal l zone no shadow Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx对薄壁模式的温度定义 薄壁模式只适用法向 传导 没有平面内部的传导 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壁面热边界条件静温 cell value 薄壁 无网格 壁温 外部表面 墙温 内部表面 Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx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 另外的热传导单元体生成了但不能显式也不 能从UDF中存取 传导区域的固体属性必须是常量量 而不能作为温度 函数定义静温 cell value 虚的热传导单元墙温 内部表面 壁温 外部表面 Introductor y FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx自然对流 介绍 当流体被加热且流体密度随 着温度变化而变化时自然对流发生 由于重力作用引起流动的密度变 化当考虑重力项时 在动量方程中压力梯度和质量力项会被重新写 为gxpgxp 0 这里x gp p0 这种格式是为了避免当重力考虑进来时圆形空间带来的误差 Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx自然对流 Boussinesq模型 Boussinesq模型 假设除了沿重力方向动量方程中的质量力项之外流体密度是相同的 我们有 当密度变化很小时有效 比如 T上的小变化 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 当密度变化小时是合适的 不能和多物质传输或者反作用流动同时使用 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 不变的密度 0适当地 指定计算域内的质量 对于非定常求解器 该模型或者理想气体法则能够使用 初始化条件 定义区域内的质量g TT g 000 Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx自然对流的用户输入 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方法并并且 指派固定的值 0 设置热膨胀系数 设置工作温度T0 If usinga temperature dependent model 如果使用独立温度模型 e g 理想气体或多项式 指定工作 密度或 Allow FLUENTto calculate 0from acell average default every iteration 允许FLUENT从单元体的平均值开始计算 0 缺省 每 一个迭代步 Define OperatingConditions Define Materials Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx辐射 当当成立或者比对流和热传导率的数量 级更大时要考虑辐射效果 要考虑辐射 就要解辐射密度传输方程 在边界上流体的局部吸收把密度传输方程和能量方程耦合在一起 辐 射强度 I r s 是直接和空间上依赖的 辐射密度的传送机制 局部吸收 外散射 远离这个方向 局部发射 内散射 沿着这个方向 在在FLUENT中可用的五个辐射模型 DOM 离散纵坐标模型 DTRM 离散传热模型 P1辐射模型 Rosseland模型 S2S 模型 4min4max radTT Q Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx离散纵坐标模型 由辐射传递方程解出一个离 散有限立体角 s 优点 传统方法导致粗离散化的热平衡 使用更好的离散化能够增加精确度 大多数复杂的辐射模型 选项来说明散射 半透明介质 定向发射面 和依赖波长的传播 局限性 解决一个纵坐标很大的问题对CPU要求较高 4 042 4 d s ssr ITna sr IaxIssiAbsorption吸收Emission发射Scattering散射Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx离散传递辐射模型 主要假设 当辐射以一个 特定范围的立体角离开面元时可以近似看作一条射线 沿着每条射线 使用光线跟踪技术来辐射强度的积分 优点 模型相对简单 随着射线数量的增加而增加精确度 应用与大范围的光学厚度 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 4T aIadsdIIntroductory FLUENTNotes FLUENTv6 3DecemberxxP 1模型 主要假设 在RTE中的直接依赖是完整的 导致入射辐射的扩 散方程 优点 辐射传递方程求解对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 依赖于几何学的复杂性 从局部热源或者水槽中趋向于预知辐射流量Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx面对面辐射模型 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模型 比如 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 面对面是基于视角因数的模型 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 执行假设是灰度辐射 当面的数量增加时存储和内存需求会急剧上升 使用面组能够降低内 存要求 滑行网格或者外悬点上的聚类不起作用 不能与周期或者对称边界条件一起使用Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx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 和类似求解器适用 但是光线跟踪法则不平行 只用于三维 规格 太阳光矢量方向 阳光强度 直射 散射 太阳能计算器用来计算方向和直射强度使用理论的最大值或者 良 好天气状况 瞬时情况 当方向矢量由太阳能计算器定义时 太阳能方向矢量将会 因此跟着瞬时模拟 指定 每一次太阳能更新的时间步 Introducto ry FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx选择辐射模型 对于特定问题 一个辐射模型 通常更合适 计算效果 P1在较少计算量的情况下给出了合理的精确度 精确度 DTRM和DOM更精确 光学厚度 DTRM DOM对于光学薄介质更好 L 1 P1对于光学厚介质更好 散射 P1和DOM适用于散射 粒子效果 P1和DOM适用于在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或纵坐标更合适Define ModelsRadiation Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx报告 热流量 热流量报告 推荐你使用热平衡检查来确定你的解时真的收敛了 导出热流数据 可以导出壁面域 包括辐射 上的热流量数据到一个一般文件中中 使用文本界面 file export custom heat flux 对每个选择的面域的文件格式 zone name nfacesx f y f z f AQ T wT c HTC Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx报告 传热系数 基于壁面功能的传热系数其 中C P是比热 k P是P点处的动能紊流度 T 在FLUENT6 3用户指南的13章中定义的 只在紊流流动而且能量方程被激活的状态下可用 在绝热壁情况下选择 2141effTk CChP P Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx小结 有许多介绍性的水平指南使用了这一课 所讨论的概念 周期流动和传热 Tutorial 2 辐射和自然对流 Tutorial 5 凝固 Tutorial 20 许多其它的 许多中级和高级指南在下面可以找到 learningcfd login fluent intermediate tutorials index htm 其它学习资源 由FLUENT提供的传热方面的高级培训课程 网络教学模块 用户服务中心 fluentusers 所有指南和讲稿 用户文件Introduct ory FLUENTNotes FLUENTv6 3DecemberxxAppendix Introductory FLUENTNotes FLUENTv6 3Decemberxx薄壁和双面壁 在薄壁方式中 壁厚没有明确 画出网格 在两个域之间定义薄层材料 热阻抗 x k在求解器中手动 应用 边界条件在外表面定义Thermal boundaryconditions aresupplied on the innersurface ofa thinwall Exteriorwall user specified thickness Fluid orsolid cellsOuter surface calculated Inner surface thermal boundarycondition specifiedhere x Interior wall user specified thickness 1k2kInterior wallshadow user specified thickness 22or Tq11or TqThermal boundaryconditions aresupplied onthe innersurfaces ofuncoupled wall shadow pairsFluid orsolid cellsFluid orsolid cellsIntroductoryFLUENTNotesFLUENTv6 3Decemberxx输出 ANSYS 通过GUI或TUI输出ANSYS文件 file export ansys file name 一个简单的文件应包括坐标 连接性 以及下列标量 x 速度 y 速度 z 速度 压力 温度 紊流动能 紊流扩散率 密度 速度紊流流 层流粘性 粘性效果 层流 热传导率率 导热效应 总压 总温 压力系数 马赫数 流函数 热流量 传热系数 壁面剪切 指定热传导IntroductoryFLUENTNotesF LUENTv6 3Decemberxx输出 ANSYS 写成ANSYS以 rfl为扩展名的结 果文件 要把文件读入ANSYS 用下列程序 1 In ANSYS go toGeneral PostprocData andFile Optionsand readthe rfl filegenerated fromFLUENT 在ANSYS中 一般前处理数据和文件选项而且要从FLUEN T中读入 rfl的文件2 Go toResults Summaryand clickonthefirst linein theuping panel You willsee someinformation listedin theANSYS 56 OUTPUT windowdisplaying geomteryinformatio