Fluent辐射传热模型理论以及相关设置

1、Fluent辐射传热模型理论以及相关设置目录1。概述2。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 2。基础理论22、1专业术语解释:2。2、2。FLUENT辐射模型介绍:2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 2、3。辐射模型适用范围总结23。Fluen t实际案例操作2。 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3、1。Ca sei-测试 e xterna l emiss i vity 使用 DO 模型计算-2D 模型2 HYPERL

2、INK l bookmark38 o Current Document 3、2。Case2-测试 i nterna l e mi s sivity-使用 DO 模型计算-2D 模型23、3。仿真结论。21概述在传热得仿真中，有时候会不可避免得涉及到辐射传热，而我们对Fluent中辐射模型得了解甚少，很难 得到可靠得计算结果。因此，一直以来,Flu ent中得带辐射得传热仿真就是我们得一个难点，本专题重 点来学习辐射模型得理论，让我们对辐射计算模型有一个深入得了解，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得参数需

3、要用户来设置。在Fluent help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、O p ti c al thickness（光学深度，无量纲量）:介质层不透明性得量度。即介质吸收辐射得能力得量度, 等于入射辐射强度与出射辐射强度之比。设入射到吸收物质层得入射辐射强度为I ,透射得辐射强 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 射得辐射强度e =入射辐射强度I,即光学深度为T = 1,介质不参与辐射。一摘自百度百科而FLUENT中T=aL,其中L为介质得特征长度,a为辐射削弱系数（可理解为介质因吸

4、收与散 射引起得光强削弱系数）。如果T=0,说明介质不参与辐射，与百度百科中得定义有出入。但就是所表达 得意思就是接近得，一个就是前后辐射量得比值;一个就是变化量与入射辐射量得比值（根据Fluen t help 里得解释，经过介质得辐射损失量=I*T,个人理解,按照此定义,T不可能大于1啊，矛盾。/ Theory Guide :： 0 / 5、 Heat Transfer / 5、3、 M o deling Ra d ia t ion 5.3. 2、Radi a t i v e T ran s fer Equation）。该问题得解释为:其实一点也不矛盾，如果Opt ic a l t hi c

5、k ness =1,就说明辐射在经过一定特征长度L得介质后被完全吸收。如果1,就说明辐射根本穿透不了特 征长度L得介质，而被早早吸收完了。打个比方,Optic al thickness=10，说明辐射在经过L/1 0距离 后已经被吸收（或散射）完。其中& = aA+ a S;2、Absor ption Coeff i c i en t （ aA吸收系数，单位1/m,见图2-1）：因为介质吸收而导致得辐射 强度在经过每单位长度介质后改变得量。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。 而当气体中水蒸气与CO 2含量较高时，那对辐射得系数就不能忽略了。3、Scattering C

6、oe f ficient（ aS散射系数，单位1 / m）:因为介质散射而导致得辐射强度在经过每单 位长度介质后改变得量。空气作为流体介质时，一般情况下，该系数可近视设为。对于含颗粒物得流体,散射作用不容忽视。4、Refrac tive Inde x（折射系数,无量纲量）:介质中得光速与真空中得光速之比。如就是空气， 可近视设为1（默认值）。一般对于具有方向性得辐射源问题，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。一般情况，热辐射在计算域中就是往各个方向辐射得, 各项同性，没有方向性，该参数设为1即可。陋拉起I看5陋拉起I看5图2-1介质得辐射相关

7、参数设置5、Diffuse Ref lecti on（漫反射）：辐射到不透明固体表面得能量，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与漫反射。6、Specu la r Refle ct i on （镜面反射）:7、Internal Emissivi t y（内部发射率）：处于计算域中得 couple wal l, sol id与 f l uid zone 或者so li d与solid zone或者flui d与 fluid z one之间得辐射率。8、Ext e rna l Emis s ivity（外部发射率）:处于计算边界上wall,外部环境与wall之间得辐射率。对 于基于

8、灰体辐射假设得计算，灰体辐射率不随波长变化，灰体辐射率二吸收率；9、Th et a Division and Phi Div i s i on:设置为2,可作为初步估算;为了得到更为准确得结果, 最少设置成3,甚至为5,Fluent13、0默认值为4。0、Th e ta Pixe l s and Phi Pixel s :对于灰体辐射,默认值1*1足够了;但就是对于涉及到对称 面、周期性边界、镜面反射、半透明边界时，需设置为3*3;2.2 F LUENT辐射模型介绍：Fluent中有五种辐射计算模型，各个模型得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

9、数量来提高计算精度，适用于光学深度范围非常广得各种辐 射问题。限制:1）模型假设所有面都就是漫反射，意味着辐射得反射相对于入射角就是各项同性得，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）与非一致网格（n on-conformal inte rf ace）、滑移网格（sli d ing me s h）不能一起使 用，不能用并行计算。2、P1模型;：优势：相比口丁区乂模型r1模型耗费自己资源更少,并且考虑了散射作用;对于光学深度较大得燃烧 模型1模型更稳定。P1模型使用曲线中uobiao比较容易处理复杂几何得辐射问题。限制：1）假设所有面

10、都就是漫反射，与DTRM相同。2）使用与灰体与非灰体辐射问题。3）如果光学深度很小时，模型计算精度取决于几何得复杂性。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、Ross 1 and 模型：优势:相对P1模型。它不求解额外得关于入射辐射得传输方程因此比P1模型耗资源要少。限制:只能用于光学深度比较大得情况，推荐用于光学深度大于3得情况;不能用于密度求解器，只能用 于压力求解器。4、Su r face-t o - Su r f ace（ S 2S）辐射模型；优势:非常适用于封闭空间中没有介质得辐射问题，（如航天器、太阳能搜集系统、辐射供热装置等）； 限制：1 ）所有面都就是漫反射

11、。）灰体辐射假设。）在表面增加时，耗费计算资源大幅增加。4）不能用于介质参与得辐射问题（participat i ng rad i ation）。5）不能与周期性边界、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得辐射问题；既能求解S2S得无介质封闭区域问题，也能求解介质参 与得辐射问题。适用于灰体、非灰体、漫反射、镜面反射以及半透明介质得辐射。2.3辐射模型适用范围总结DTRM与D0模型几乎可适用于所有光学深度问题相比之下,DO模型得范围更广。光学深度1,可用P 1与Rossland模型；而 3时,R o s s l a n 模型比较合适。对于光学

12、深度1得问题，只能用DTRM与DO模型。S2S适用于光学深度为0得问题，即流体介质不参与辐射得问题。总结:一般关于空气对流辐射得问题,属于光学深度=0得问题，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得选项(在13、0版本中才加入DTRM与DO模型)。3 Flue nt实际案例操作从简单得2D case入手，在实际操作中真正搞清楚emissivit y与abs o rp t i o n co e ffic i ent得 含义，以及Flue n t中 s oli d与f 1 uid zone之间得辐射传热机理。Case1-测试external em is s

13、iv it y 使用D O 模型计算一2D模型2口模型，直径 2m,externa1 rad iat i on temperature 4 00K,圆形为so lid,恒温 300KaucwrtiE 3 Mt i-O?JK4rQZ3 glpaucwrtiE 3 Mt i-O?JK4rQZ3 glp言 ajOOcHK:WjOOe* IJKirni 3 00tHEinlnurs nTSIalc lempEMlurei图3-1温度场分布图Cel Zqn014 二(WUMEg EmK 5 rli Cel Zqn014 二(WUMEg EmK 5 rli tyThwnaiCnfrltlcflsExter

14、nd RadhAnn IwrpB,fiLursltaMEH和强行礴1MM emf A：fi Pjbe (yhAd!?图3-2辐射换热设置设置external e m i ssi v ity 1，计算出外界对wall辐射传热功率为6230、3 1 88 W,根据理论公式计算:Pra=5、67 e -8*1*3、1 4*2*( 4 00A4-30 0 八4)= 6 2 3 1W。仿真结果与理论计算非常接近。#e x te rn a l emissivity设成0、5,计算出辐射传热功率为31 14、6W。改变internal em is si vi ty得值,计算值不变。从以上仿真结果可知：1、2

15、、1小结得第八点external emissivity得解释就是正确得，辐射传热基于灰体假设，辐射系 数等于吸收系数。C ase2 一测试 inter n al emis si vity-使用 D。模型计算-2 D模型1) S o li d 1) S o li d (Al)-so l id (S t eel)s ol i d(Al)caseExternal emissivityInternal emissivity图 3-3 从里到外 So l id (Al)-so l id( S teel)-so l id (Al)er nal emi s sivtiy=1;in te er nal emi

16、 s sivtiy=1;in te r n al e mis s ivti y =1：% It 吗 hadtXHErtefriai vmI Brtttfcir-：3rtie比i r-5: CO q -+山 口内AH5Y3 FLUENT 13.0 CZd. pbns.lam)i)I n ternal s o l id Fi x temp eratu r e=400, ext er nal ra d iation te mp era ture= 3 00,extCptiansCnteEPl 册 Rata Tutalh&at Tr-ansfef RabHe胃 Transfer n.ate图3-4温度

17、分布以及换热量ii) inte r n al emi s sivtiy= 0：mb 口nsEJid-erv TypesAKhaLBt-F-ari,1 :l-7-:l aj-.inlat-vsntbDLndaUhlafTie Pdttwnn tuner 5nmb 口nsEJid-erv TypesAKhaLBt-F-ari,1 :l-7-:l aj-.inlat-vsntbDLndaUhlafTie Pdttwnn tuner 5n的看匚*-5：叨中寸己找岫riteria-7：oioOMa55FkxH ReteO n.dlation HmT Pate图O n.dlation HmT Pate从图

18、4、5可知,上下两张图得温度分布非常相近，上图中温度稍高，而zone之间得换热量存在差异， 将internal emissivity改为0,代表两个不同材料得z。ne之间辐射传热量为零，因此总传热量从 5555W降低至5 055W。可知,F lu ent中认为紧密相连得两个solid zone（存在c。u p le w a ll）之间就 是存在辐射传热得（也可设置为无辐射传热），相当于实际情况中得两个物体得接触面，只不过在Flu ent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;Flue nt中无接触热阻，有辐射传热。用Flu e nt 一般不进行涉及接触热阻细节得仿真。2)S

19、ol id (Al )fl u id (air)-soli d (Al), n o gr a vi t y-caseefficien t =0;4.0094023.97x02options3.日 084023.7旧 02wall-7-5hsdraA37te+023.67&+023.Ge+O23.61 e+CQ3.57e+G23.55+023.51e+CQ3.3JI0+O2extmTalwakiljrk.gric-5;W9叵二ir3riM-5rtoii:-E.：009-dadQw卢加20, 201ANSY5 FLUENT 13 n(2d.obns.lan-23+0.34-1462421：3.77

20、64023.1Te+023.fl4c+CQQ Mess Flow R.at?QWHeat Tran代r Rate 。Rad叱on He-st Transfer RateBoundaw TypesEburdarij hlamt Pattetni ),ext e rna l em issivt iy = 1 ;i efficien t =0;4.0094023.97x02options3.日 084023.7旧 02wall-7-5hsdraA37te+023.67&+023.Ge+O23.61 e+CQ3.57e+G23.55+023.51e+CQ3.3JI0+O2extmTalwakiljrk

21、.gric-5;W9叵二ir3riM-5rtoii:-E.：009-dadQw卢加20, 201ANSY5 FLUENT 13 n(2d.obns.lan-23+0.34-1462421：3.7764023.1Te+023.fl4c+CQQ Mess Flow R.at?QWHeat Tran代r Rate 。Rad叱on He-st Transfer RateBoundaw TypesEburdarij hlamt Pattetn图3-6温度分布以及换热量中心4O0K得s olid往external s olid得辐射传热功率为:Pra=5、67e-8*1*3、14*1*(400A4-335

22、 人)=2 315W,与fluent repr o t 值 2333W(包含了空气热传导得功率）比较接近;ii) inte r na 1 emis s i v ti y = 0 ,flui !得 absorpti on c oeff i cien t =0;Bcunda-iesJ.-iOc+O?9.0Se+02今白+12I gxterrd weJ-flirtetbf-5:0D9W卅Firtwtir-JHerDr-5i M io r : 口h ki *irtefior-TiOtOOmmfFIw Bcunda-iesJ.-iOc+O?9.0Se+02今白+12I gxterrd weJ-flirt

23、etbf-5:0D9W卅Firtwtir-JHerDr-5i M io r : 口h ki *irtefior-TiOtOTrpi?5Esoundary Nsmt PatternZantnurs arstallt Temperalure 代apr 20,2012M-dSYS Trpi?5Esoundary Nsmt PatternZantnurs arstallt Temperalure 代apr 20,2012M-dSYS FLUENT 1 a 口 (2d. pbns, lam)图3-7温度分布以及换热量将internal emissivtiy=0后，传热功率下降为2 1 W,说明无辐射换热

24、时，仅靠空气导热得传热功率非常小。iii)Fluid 与 external s o lid 之间得 int e r n al emiss i vtiy=1, fl u id 得 absorption c o ef f icient=1;.DDBthJE3 口了 E23 0O-hJ23 08u-m：i23 了ElhIEMaK FlnwRatt Total Hwt .DDBthJE3 口了 E23 0O-hJ23 08u-m：i23 了ElhIEMaK FlnwRatt Total Hwt Tratfa- RateO Rad at ion Huai Transfer Rate0m.nl5rf年e;

25、ALOE Kdaudt-fan fCTi h let-ventSourdaryritefor-3 rJtefOr-5He6:il5rtetiar-51009-shadaw rtethr7:0ap.dl-7Apr 2D. 2D12W WS F LUENT13 0 (2d. pbng Jam)图3 8温度分布以及换热量iv)Flu i d 与 external solid 之间得 in te rnal em i s s ivtiy=0, f 1 uid 得 abso r p t i on co effici e nt =1;4- i；：3 tiEm日 DLndmry Typtsrte-nr-j :

26、LIU即目I 2deFiler-uwir4- i；：3 tiEm日 DLndmry Typtsrte-nr-j :LIU即目I 2deFiler-uwir3 5D-h-|3 DLnlaru Ndme PcttErneptnnsHe;= Trsrtsr ?!- r sr* Total Heat TransferO Radiation图3-9温度分布以及换热量v)Fluid 与 e x ternal sol i d 之间得 i n ternal emis s ivit y =1 , fluid absorp t ion c oeffi cient=0,externa 1 solid absorption coefficients 1 ,conductivity = O、02;EOJ