2021年Fluent辐射传热模型理论以及相关设置

1、*欧阳光明*创编2021.03.07*欧阳光明*创编2021.03.07Fluent辐射传热模型理论以及相关设欧阳光明(2021.03.07)目录1概述22基础理论22.1专业术语解释：22.2FLUENT辐射模型介绍：22.3辐射模型适用范围总结23Fluent实际案例操作23.1Casel-测试externalemissivity使用DO模型计算-2D模型23.2Case2-测试internalemissivity-使用DO模型计算-2D模型23.3仿真结论2*欧阳光明*创编2021.03.07*欧阳光明*创编2021.03.071概述在传热的仿真中，有时候会不可避免的涉及到辐射传热，而我

2、们对Fluent中辐射模型的了解甚少，很难得到可靠的计算结果。因此，一直以来，Fluent中的带辐射的传热仿真是我们的一个难点，本专题重点来学习辐射模型的理论，让我们对辐射计算模型有一个深入的了解，以帮助我们攻克这个仿真难点。2基础理论2.1专业术语解释：在Fluent中开启辐射模型时，流体介质以及固体壁面会出现一些专业的参数需要用户来设置。在Fluenthelp中介绍辐射模型时会经常提到一些专业术语。对这些专业参数以及术语，我们来一一解释：1、Opticalthickness（光学深度，无量纲量）：介质层不透明性的量度。即介质吸收辐射的能力的量度，等于入射辐射强度与出射辐射强度之比。设入射到

3、吸收物质层的入射辐射强度为I，透射的辐射强度为e，则T=I/e，其中T为光学深度。按照此定义，那介质完全透明，对辐射不吸收、也不散射，透射的辐射强度e=入射辐射强度I,即光学深度为T=1，介质不参与辐射。摘自百度百科而FLUENT中T=aL，其中L为介质的特征长度，a为辐射削弱系数（可理解为介质因吸收和散射引起的光强削弱系数）。如果T=0,说明介质不参与辐射，和百度百科中的定义有出入。但是所表达的意思是接近的，一个是前后辐射量的比值；一个是变化量和入射辐射量的比值（根据Fluenthelp里的解释，经过介质的辐射损失量=I*T，个人理解，按照此定义，T不可能大于1啊，矛盾。/TheoryGui

4、de:0/5.HeatTransfer/5.3.ModelingRadiation/5.3.2.RadiativeTransferEquation）。该问题的解释为：其实一点也不矛盾，如果Opticalthickness=1,就说明辐射在经过一定特征长度L的介质后被完全吸收。如果1,就说明辐射根本穿透不了特征长度L的介质，而被早早吸收完了。打个比方，Opticalthickness=10，说明辐射在经过L/10距离后已经被吸收（或散射）完。其中a=aA+aS；2、AbsorptionCoefficient（aA吸收系数，单位1/m,见图2-1）:因为介质吸收而导致的辐射强度在经过每单位长度介质

5、后改变的量。空气作为流体介质时，一般不吸收热辐射，该系数可近视设为0。而当气体中水蒸气和CO2含量较高时，那对辐射的系数就不能忽略了。3、ScatteringCoefficient（aS散射系数，单位1/m）:因为介质散射而导致的辐射强度在经过每单位长度介质后改变的量。空气作为流体介质时，一般情况下，该系数可近视设为0。对于含颗粒物的流体，散射作用不容忽视。4、RefractiveIndex（折射系数，无量纲量）：介质中的光速和真空中的光速之比。如是空气，可近视设为1（默认值）。一般对于具有方向性的辐射源问题，比如LED发光或激光等光学传热问题，辐射在经过水以及玻璃等透明介质时，需要设置该参数

6、。一般情况，热辐射在计算域中是往各个方向辐射的，各项同性，没有方向性，该参数设为1即可。图2-1介质的辐射相关参数设置5、DiffuseReflection（漫反射）：辐射到不透明固体表面的能量，一部分被固体吸收，另一部分被反射，其中反射分为镜面反射和漫反射。6、SpecularReflection（镜面反射）：7、InternalEmissivity（内部发射率）：处于计算域中的couplewall，solid和fluidzone或者solid和solidzone或者fluid和fluidzone之间的辐射率。8、ExternalEmissivity（外部发射率）：处于计算边界上wall，外

7、部环境和wall之间的辐射率。对于基于灰体辐射假设的计算，灰体辐射率不随波长变化，灰体辐射率=吸收率；9、ThetaDivisionandPhiDivision：设置为2,可作为初步估算；为了得到更为准确的结果，最少设置成3,甚至为5，Fluent13.0默认值为4。10、ThetaPixelsandPhiPixels:对于灰体辐射，默认值1*1足够了；但是对于涉及到对称面、周期性边界、镜面反射、半透明边界时，需设置为3*3；FLUENT辐射模型介绍：Fluent中有五种辐射计算模型，各个模型的使用范围以及其优缺点分别为：1、DTRM模型：优势：模型相对简单，可以通过增加射线数量来提高计算精度

8、，适用于光学深度范围非常广的各种辐射问题。限制：1）模型假设所有面都是漫反射，意味着辐射的反射相对于入射角是各项同性的，无镜面反射。2）忽略散射作用。3）灰体辐射假设。4）使用大数目射线求解问题，非常耗费CPU资源。5）和非一致网格（non-conformalinterface）、滑移网格（slidingmesh）不能一起使用，不能用并行计算。2、P1模型；：优势：相比DTRM模型，P1模型耗费自己资源更少，并且考虑了散射作用；对于光学深度较大的燃烧模型，P1模型更稳定。P1模型使用曲线中uobiao比较容易处理复杂几何的辐射问题。限制：1）假设所有面都是漫反射，和DTRM相同。2）使用与灰体

9、和非灰体辐射问题。3）如果光学深度很小时，模型计算精度取决于几何的复杂性。4）对于局部热源以及散热片问题，该模型会夸大辐射传热量。3、Rossland模型：优势：相对P1模型。它不求解额外的关于入射辐射的传输方程，因此比P1模型耗资源要少。限制：只能用于光学深度比较大的情况，推荐用于光学深度大于3的情况；不能用于密度求解器，只能用于压力求解器。4、Surface-to-Surface（S2S）辐射模型；优势：非常适用于封闭空间中没有介质的辐射问题，（如航天器、太阳能搜集系统、辐射供热装置等）；限制：1）所有面都是漫反射。2）灰体辐射假设。3）在表面增加时，耗费计算资源大幅增加。4）不能用于介质

10、参与的辐射问题（participatingradiation）。5）不能和周期性边界、对称边界、非一致网格交界面、网格自适应一起使用。5、DO模型优势：适用于所有光学深度范围的辐射问题；既能求解S2S的无介质封闭区域问题，也能求解介质参与的辐射问题。适用于灰体、非灰体、漫反射、镜面反射以及半透明介质的辐射。2.3辐射模型适用范围总结DTRM和DO模型几乎可适用于所有光学深度问题，相比之下，DO模型的范围更广。光学深度1，可用P1和Rossland模型；而3时，Rossland模型比较合适。对于光学深度1的问题，只能用DTRM和DO模型。S2S适用于光学深度为0的问题，即流体介质不参与辐射的问题

11、。总结：一般关于空气对流辐射的问题，属于光学深度=0的问题，因此可使用DTRM、S2S、DO模型，在ICEPAK解决辐射问题就有这三个模型的选项（在13.0版本中才加入DTRM和DO模型）。3Fluent实际案例操作从简单的2Dcase入手，在实际操作中真正搞清楚emissivity和absorptioncoefficient的含义，以及Fluent中solid和fluidzone之间的辐射传热机理。3.1Case1-测试externalemissivity使用DO模型计算-2D模型2D模型，直径2m，externalradiationtemperature400K，圆形为solid，恒温30

12、0KwlDursnrsiaklempEMlurelSjOZiqHK:3DOr(JU3SjKirHK图3-1温度场分布图屹询MTiTTmdIRdCtoon5LCWSOPHIMufc仙越UCI5|ITwraiCahdltlcfis：OfiMtrluK0TAmpfiratLra0LC4iVl：iC4iQFjdHtnriOwcdEiternaiE曲皿昨ExternalF:3ltKinlenflcriaLurfl1丄审TErr朽热炸不(EU_JH&sJtoenefA:1Rjte-图3-2辐射换热设置设置externalemissivity1,计算出外界对wall辐射传热功率为6230.3188W，根据理

13、论公式计算：Pra=5.67e-8*1*3.14*2*(400人4-300人4)=6231W。仿真结果和理论计算非常接近。将externalemissivity设成0.5，计算出辐射传热功率为3114.6W。改变internalemissivity的值，计算值不变。从以上仿真结果可知：1、2.1小结的第八点externalemissivity的解释是正确的，辐射传热基于灰体假设，辐射系数等于吸收系数。Case2-测试internalemissivity-使用DO模型计算-2D模型1)Solid(Al)-solid(Steel)-solid(Al)-caseInternalemissivityE

14、xternalemissivity图3-3从里到外Solid(Al)-solid(Steel)-solid(Al)i)InternalsolidFixtemperature=400C,externalradiationtemperature=300,externalemissivtiy=1；internalemissivtiy=1：4a*工3审曰旦3.Q2*+H3.31*KI239910237*+Cr23.SB*HJ23.94*+0Z3ja3*+K3.31+OZ350e+(J23.7H*023.77tKI23.75*+Cr23.73*O13.7Z*+0Z3.70et&2=3Q口sOZFinsR

15、rportsCf3dariJJptP=vnmtfy,J閃Ugr|站:antQurE：DTStaticTemneralure(k)Apr3D,2012msrsfluent13.0(2d.pbns.lam)图3-4温度分布以及换热量ii)internalemissivtiy=0：4.an*oi3.9Bt*0Z3.35t+OZ33*02Wlt+OZ3.30t+oz3ja7*+H2j8n*:t嗣阳oz3.33*+0Z3j8D*fll3.7Bt+023.77*+0Z3.75*+D22.73i*fl23.71t*DZ3.55*+OZ3H*+H3jan*oi3/5+t*OZ|Saw已OutputParan皀

16、氓r.CpticflSaxissxhaust-f-anAfaninlst-vflntVQKlKsFkxHPatet*)TrialHeatTrarafH-RateORedlationHeatTransferRetsEtuidfiri/KlafTiEPatternrlatdiEEid&”Typ翳圆目匚口nplgIWhtK,.ItkHUIHgipNetResjItsO)-5D&3.7Apr3D,2012:antQurE：DTStaticTemneralure(k)图3-5温度分布以及换热量从图4、5可知，上下两张图的温度分布非常相近，上图中温度稍高，而zone之间的换热量存在差异，将internal

17、emissivity改为0，代表两个不同材料的zone之间辐射传热量为零，因此总传热量从5555W降低至5055W。可知，Fluent中认为紧密相连的两个solidzone（存在couplewall）之间是存在辐射传热的（也可设置为无辐射传热），相当于实际情况中的两个物体的接触面，只不过在Fluent中未设置接触热阻。总结：实际情况中有接触热阻，有辐射传热；Fluent中无接触热阻，有辐射传热。用Fluent一般不进行涉及接触热阻细节的仿真。2)Solid(Al)-fluid(air)-solid(Al)，nogravity-casei)，externalemissivtiy=1；intern

18、alemissivtiy=1，fluid的absorptioncoefficient=0；4.0te+O23.97+023.9：e+023.!3fe+023.07e+C23.眄射023.0te+C237TG+023746+0237Ctti23.fi7e+022.G4etCQ3.6le+022.G?e+CQ3.5Je+023/H日+023.38+023.4H023.41&+02niDursEStalkTemperadurE(kJApr20.201AN8Y0FLUENT13.Dt2nbns.Ian图3-6温度分布以及换热量中心400K的solid往externalsolid的辐射传热功率为：Pra

19、=5.67e-8*1*3.14*1*(400A4-335A)=2315W，和fluentreprot值2333W(包含了空气热传导的功率)比较接近；ii)internalemissivtiy=0，fluid的absorptioncoefficient=0；BoundariesIS.曰3.13frX29.1029.05?-h323nn*-KJ2诃卜丁eternalrtcnor-3rteHij卜5UfZJCi百:ontoursorStaticTemperslu佗kQpiasFhRateTotalNeatTran才erRiteCRaclaGcriHetTransferRateM5詁auat-F.汕f

20、dTlintat-ventBcijrriwrrijarTcPrttwriSweOutpLi-Parameter.图3-7温度分布以及换热量rt.wiDr-5:DC9sbjadnwrteior-JsilLO.Apr20.2D12at-jsysFLUEPJr13D(2d,pbns,lam)将internalemissivtiy=0后，传热功率下降为21W，说明无辐射换热时，仅靠空气导热的传热功率非常小。iii)Fluid和externalsolid之间的internalemissivtiy=1,fluid的absorptioncoefficients；33ROc-KlZ308e-M2.DDtXJZ

21、MafiiFlnwRjtaTotalHeatTratfetRateORadationHeatTransFerRateBOLOlar/Tg5rtetnr7:UUK?haui-fBnfa-ihier-venr11Match1BourriaryNansPatternSaveCi/pJrPararreter-,!S图3-8温度分布以及换热量M.dl-7wail-7-dacl-iv)Fluid和externalsolid之间的internalemissivtiy=0，fluid的absorptioncoefficient=1；4DDir4l23昭3S1J25.06(7*02J-BEt+OZ勺77-tO2

22、S.73t*O23帕323flS-H323.5DtirHD23SAe-ma?5D*-KJ23嗚申己34ir-M323.3Dt*O23.31Gr*fl232?Q2M22fi-*O231EC-K12313r+O23.DEfr+O2CantciUrsofElalicTeniperalbrekApMD.2012MMSYSFLUENT13.0(2d.pbn5Jam)图3-9温度分布以及换热量v)Fluid和externalsolid之间的internalemissivity=1，fluidabsorptioncoefficient=0，externalsolidabsorptioncoefficient

23、=1，conductivity=0.02；A.Mi+02S.Wl+Ci23.9H+D23.T7tO23.734+023.1534+023JM4+CQ总心計+023.e+02S.Wa+CfiSJQe+DZ3.4atca5.424+023：BetO23.HtCQ3J1e+D2927c02S3+i25歸WgP旳-电中.Gfttjns1/FIdhjRateloyHZTrarrsferRats0RaddimlieatTransferPtr1)3曲Atidiaust-FanFanHet-verit日uundaryHarrcPatbsmflDLrdsryJTj/pIwdkJHatchEtuTidar已Rukf|qxtemfll_walhBirJtefct-3iterig巧|irAeficr-5:0CiJtercr5:OHhackw|砧口:皿1w-alk