Fluent辐射传热模型理论以及相关设置

Fluent辐射传热模型理论以及相关设置目录1概述错误!未定义书签2基础理论错误!未定义书签专业术语解释：错误!未定义书签FLUENT辐射模型介绍：错误!未定义书签辐射模型适用范围总结错误!未定义书签3Fluent实际案例操作错误!未定义书签Casel-测试externalemissivity使用DO模型计算-2D模型错误!未定义书签。Case2-测试internalemissivity-使用DO模型计算-2D模型错误!未定义书签。仿真结论错误!未定义书签。1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=l/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。=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。HeatTransferModelingRadiation5・3・2RadiativeTransferEquation）。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。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。SaOsr网RjncifenSaOsr网Rjncifeni*Cri£5i«e/E-IeIEa.1cfimIxOrd#HaMfebyFLUEHr昭融融匚-|ruUEHrDahd»M...||iJbv-EvlHdDAriiaii...fi料g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，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；2.2FLUENT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，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。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。3.1Casel-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300K3DO«r口1IIKliuQS3U£3*rnE3Mti-O?3IKhi>-D£3jO：«eH3EinlDursnrsiakclempEMlure^i]图3-1温度场分布图hs-sJt^emfA>：fiPjte(yhAd!)图3-23DO«r口1IIKliuQS3U£3*rnE3Mti-O?3IKhi>-D£3jO：«eH3EinlDursnrsiakclempEMlure^i]图3-1温度场分布图hs-sJt^emfA>：fiPjte(yhAd!)图3-2辐射换热设置PjdkdCHltCelZqn0E>ta,ndEmK5nih,ThwnaiCnfrltlcflsRdchAunIwrpB-fiLursIrt^niErr^sivjty(KJ设置externalemissivity1,计算出外界对wall辐射传热功率为，根据理论公式计算:Pu=*i**2*(400^4-300^4)=6231W。仿真结果和理论计算非常接近。将externalemissivity设成，计算出辐射传热功率为。改变internalemissivity的值，计算值不变。从以上仿真结果可知: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。3.2Case2-测试internalemissivity-使用DO模型计算-2D模型1)Solid(Al)-solid(Steel)-solid(Al)-case

ExternalemissivityInternalemissivity图3-3从里到外Solid（Al）-solid（Steel）-solid（Al）ExternalemissivityInternalemissivityi）InternalsolidFixtemperature=400°C,externalradiationtemperature=300,externalemissivtiy=1；internalemissivtiy=1：I刃比iXtpjtPnraniBter,,,Ap『2Il.2012pbns.lI刃比iXtpjtPnraniBter,,,Ap『2Il.2012pbns.lam）0氐RieO汕Meet口非喻Rateeoctefrdrtiettir-5：cici9-Fhaio^eshaudz-fen图eoctefrdrtiettir-5：cici9-Fhaio^eshaudz-fengtiumOblssFkxHReteC£>TctfilliefltTrarafa-RateOA.^dlationHeefcTrantfa-PateEcuidiryTsipesa症Axhamt-F-anfanirJflt-YentEtaLrid&yhlan已PrttefrintenorT

tilgniT哺gtiumOblssFkxHReteC£>TctfilliefltTrarafa-RateOA.^dlationHeefcTrantfa-PateEcuidiryTsipesa症Axhamt-F-anfanirJflt-YentEtaLrid&yhlan已PrttefrintenorT

tilgniT哺lntaflcr-5;Dn9-^iddciv<朴也fiI：卜7;DIOwal-7-shadowAfjf20.2012ContoursofGtaUeAfjf20.2012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internalemissivity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；internalemissivtiy=1，fluid的absorptioncoefficient=0；4.0094023.97^02：3.H^+023.H0&+023.776+023.7J&+O23.709+023.670+02S.E-le+CG3.61e+023.57e+G23.5^5+023.51e+02SaveCutpijtP-aramcrtr…3.q7e+023.110+023.3EC+02'■PtionsBou「da4.0094023.97^02：3.H^+023.H0&+023.776+023.7J&+O23.709+023.670+02S.E-le+CG3.61e+023.57e+G23.5^5+023.51e+02SaveCutpijtP-aramcrtr…3.q7e+023.110+023.3EC+02'■PtionsBou「da「去園目OMessFkwRat?ij)FatalHeatTranhsrRate0Qadi^tionHe-eJITransferRatelexts-nal也KlIHtfirin-5|irkBriDf-5;CO9|Boundary吟吟=]0rtoiDT-&:009-d^adQwrtiencf-^sOlOaxEexhaust-faifaniriat-^nt1映iHM.iall-7-5h5i±jwitaurdarijhlarrtPatternMich3.14C+023.3^0+CGApr20.201ANSYEFLUENT13.D(2d.Pbns.13n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：Pu=*i**i*（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；Etunc^ies3.-156+QE3.1De+D23.05t+023J3D.+D2|sxterrdwd-flirtertor-3ii7ernr-5irtetm-^口巴■jptioris3J3DC+DZ3.55t+D23.50t+02OMasfHwiRie(*)Tot3ll4MtEtunc^ies3.-156+QE3.1De+D23.05t+023J3D.+D2|sxterrdwd-flirtertor-3ii7ernr-5irtetm-^口巴■jptioris3J3DC+DZ3.55t+D23.50t+02OMasfHwiRie(*)Tot3ll4MtTransFerRateOPlatanH&atTi■靳sfetR妝Esourdar^iT'rtJCSfinirJet-uertBoundorvGai/eCutputP*^antnursafGtalicTemperslure(k)Apr^antnursafGtalicTemperslure(k)M-JGYGFLUENT12D(2ti,ptHS,lam)图3-7温度分布以及换热量将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。Fluid和externalsolid之间的internalemissivtiy=1，fluid的absorptioncoefficient"；

^.DDtXJZ■3U7.P2■3ROc-KlS398HO3SJ3t*O2S.?Dfr*O2376^3233.DDgthJ2J.DSfrOE令H2»-h323.5E：6*J2^.DDtXJZ■3U7.P2■3ROc-KlS398HO3SJ3t*O2S.?Dfr*O2376^3233.DDgthJ2J.DSfrOE令H2»-h323.5E：6*J2■355r-K12?51r»O23.4Bfir*O2■345C-KJ234U-HJ23.3Efr+O2玷口■331»-hJ2'._JDlafiiFlawRata@TotalHeatTratfetRateORadationHeatTransFerRate0Di.niar/|5旳&B/pJ：忌,.rtetnr£7:U]UCnntaurs-cdSlalicTenperaiure[k]K?haui--fBnfa-ihier-venrn.dl-7wail-7-d^acl-^11Match1BourriaryNansPattern.Apr20.2012W瓏FLUENT130(2d.pbnsJam)图3-8温度分布以及换热量Fluid和externalsolid之间的internalemissivtiy=0，fluid的absorptioncoefficient=1；4DDir4<l2■3昭3S1^J25.06(7*02J-BEt+OZ勺77»-tO2S.73t*O23帕323flS»-H323.5DtirHD2■3SAe-ma?5D*-KJ2■34DDir4<l2■3昭3S1^J25.06(7*02J-BEt+OZ勺77»-tO2S.73t*O23帕323flS»-H323.5DtirHD2■3SAe-ma?5D*-KJ2■3嗚申己34<ir-M323.3Dt*O23.31Gr*fl2■32?^Q2M22fi-*O2■31EC-K12313r+O23.DEfr+O2日匚sdarjjNamePattern日匸tndarjjTypwjarsUiJtpJtKdranwterdDOSenhamt-FariFatiinfet-i/ent-opoaii百OMkeAdwHate®TotalHeatTransfer0RadbaiianHeatTransFerRatertn-nr-j:LJ]UTVwdl-7-dnadc-i.MCantciUrsofCantciUrsofElalicTeniperalbre[k]MMSYSFLUENT13.0(2d.pbn5Jam)图3-9温度分布以及换热量Fluid和externalsolid之间的internalemissivity=1，fluidabsorptioncoefficient=0，externalsolidabsorptioncoefficient=1，conductivity=；

II耳FlwjltsBccnddrEs-36DZ.59ZS95507S13lfiD3.4S7-=l26757B13-1603.25wal-^rsbadaw3.56e+KEdbsmal_ytal■Bintericf-5：［lWw.al-7inb=ric<-3|interice5intencf-5:ADMiadowlintencfJ:D1■口II耳FlwjltsBccnddrEs-36DZ.59ZS95507S13lfiD3.4S7-=l26757B13-1603.25wal-^rsbadaw3.56e+KEdbsmal_ytal■Bintericf-5：［lWw.al-7inb=ric<-3|interice5intencf-5:ADMiadowlintencfJ:D1■口3.77«+K8.734+023：36e+K