1、传热模型,Introductory FLUENT Training,大纲,Energy Equation 能量方程Wall Boundary Conditions 壁面边界条件Conjugate Heat Transfer 耦合传热Thin and two-sided walls 薄面及两面壁面Natural Convection 自然对流Radiation Models 辐射模型Reporting Export 报告导出,能量方程,能量输运方程每单位质量的能量E定义为：能量E中的压力和动能项在基于密度的求解器中会自动加入，在基于压力的求解器中会忽略，可以通过命令行打开Define/model
2、s/energy?,能量方程,Conduction 传导,Species Diffusion 物质扩散,Viscous Dissipation 粘性耗散,能量方程粘性耗散项,能量方程粘性耗散项,由于耗散造成的能量源项viscous heating粘性剪切作用产生的热量 当粘性剪切力大或者高速可压流动中较重要 通常可以忽略 在基于压力求解器中缺省不含 在基于密度求解器中包含 当Brinkman数接近或超过1时比较重要,能量方程物质扩散项,能量方程物质扩散项,由于组分扩散造成的能量源项包括由于物质扩散造成的焓的输运效果 默认在基于密度的求解器中包含 在基于压力的求解器下可以关闭,能量方程其它项,能
3、量方程其它项,由化学反应引起的能量源项 各种组分的生成焓 各种组分的体积反应率 辐射引起的能量源项 相间能量源项 包括连续相和离散相之间传热 DPM，喷雾，粒子等,固体区域的能量方程,固体区域的能量方程,计算固体区域的热传导能量方程可以使用各项异性的传导率（仅限于压力求解器）,壁面边界条件,壁面边界条件,五种热量条件Radiation辐射 外部物体传热给壁面 给出发射率和混合 组合对流和辐射边界条件 壁面材料可以定义一维方向的厚度和导热计算,耦合传热,耦合传热,能够计算固体热传导，并且与流体的对流换热耦合 耦合边界条件对任意分隔两个单元体的壁面区域适用,Grid,Temperature con
4、tours,Velocity vectors,Example - Cooling Flow over Fuel Rods,耦合传热举例,Circuit board (externally cooled) k = 0.1 W/mK h = 1.5 W/m2K T = 298 K,Air Outlet,Air inlet V = 0.5 m/s T = 298 K,耦合传热举例,Electronic Chip (one half is modeled) k = 1.0 W/mK Q = 2 Watts,Top wall (externally cooled) h = 1.5 W/m2K T = 2
5、98 K,Symmetry Planes,举例网格和边界条件,举例网格和边界条件,Flow direction,Board (solid zone),Chip (solid zone) 2 Watts source,Convection Boundary 1.5 W/m2 K 298 K free stream temp.,Convection boundary 1.5 W/m2 K 298 K free stream temp,Air (fluid zone),举例问题设置,举例问题设置,温度分布（主视图和顶视图）,温度分布（主视图和顶视图）,Flow direction,Board (so
6、lid zone),Chip (solid zone) 2 Watts source,Convection Boundary 1.5 W/m2 K 298 K free stream temp.,Convection boundary 1.5 W/m2 K 298 K free stream temp,Air (fluid zone),Front View,Top View,Flow direction,耦合传热设置,耦合传热设置,另一种建模策略,另一种建模策略,电路版（board）可以定义为带厚度的壁面（wall） 在这种情况下，不需要给下层的固体区域画网格,壁面热传导的两种方式,壁面热传导
7、的两种方式,带网格壁面 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 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 zone,Solid zone,Wall zone (with shadow),Fluid zone,壁面热阻抗在能量方程中直接得到；壁厚上的温度分布通过计算得到； 双向传热计算。,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计算。,Wall zone (no shadow),薄壁模式的
8、温度定义,薄壁模式的温度定义,薄壁模式只计算法向传导（没有平面传导），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,Thermal boundary condition on wall,Static temperature (cell value),Thin wall (no mesh),Wall temperature (outer surface),Wall temperature (inner surface),壁面传热的壳传导选项,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 生成了附加的导热单元体，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
9、，不能作为温度的函数,自然对流,自然对流,流体被加热，流体密度随着温度变化而变化 重力作用在变化的密度上引起流动 当考虑重力项时，动量方程中的压力梯度和体积力项可以表达为：,where,自然对流 Boussinesq 模型,自然对流 Boussinesq 模型,Boussinesq 模型假设只有动量方程的浮力项中密度是随温度变化的，此之外流体密度相同的，我们有：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 当密度变化较小时适用 不能和多组分传输或者反应流同时使用 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
10、使用 对于非定常求解器，可以使用Boussinesq模型或理想气体状态方程,自然对流的用户输入设置,自然对流的用户输入设置,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 并且指派固定的值 0设置热膨胀系数 设置工作温度 T0 如果使用独立温度函数模型 (e.g.， 理想气体 或 多项式) 指定工作密度 允许FLUENT从单元体的平均值开始计算0 （默认，每一个迭代步）,Define,Operating Conditions,Define,Materials,辐射,辐射,当辐射热 与对流热和传导热为一个量级或者较大时需要考
11、虑辐射。 要考虑辐射，就需要解辐射强度输运方程 辐射强度, I(r,s), 具有方向性和空间性 辐射强度的输运机制 Local absorption 局部吸收 Out-scattering (scattering away from the direction) 外散射 Local emission 局部发射 In-scattering (scattering into the direction) 内散射 在FLUENT中可用的五个辐射模型 Discrete Ordinates Model (DO) Discrete Transfer Radiation Model (DTRM) P1 Ra
12、diation Model Rosseland Model Surface-to-Surface (S2S),DOM模型,DOM模型,由辐射传输方程解出离散有限立体角s优点 保证了能量平衡 使用更好的离散化能够增加精确度 用途最为广泛的辐射模型 散射，半透明介质，镜面，与波长相关的能量传输 局限性 对CPU要求较高,Absorption 吸收,Emission 发射,Scattering 散射,DTRM辐射模型,DTRM辐射模型,一定角度内的射线束作为一条射线来处理 沿着每条射线使用光线跟踪技术来进行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 应用于大范围的光学厚度
13、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,P-1模型,P-1模型,不考虑RTE方程的方向性，仅为入射辐射的扩散方程 优点: 辐射传输方程求解对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（依赖于几何的复杂性）,Surface-to-Surface 辐射模型,Surface-to-Surface 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 例如，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
14、车冷却器 S2S 是基于视角的模型 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 假设灰体辐射 当面的数量增加时内存需求会急剧上升 Memory requirements can be reduced by using clusters of surface faces.使用面组能够降低内存要求 不能与周期或者对称边界条件一起使用,太阳能模型,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 并行求解器可以使用 只用于三维 参数定义 太阳光矢量方向 阳光强度（直射，散射） 瞬态工况 太阳能方向矢量会进行相应改变 指定“每一次太阳能更新的时间步”,
15、选择辐射模型,选择辐射模型,对于特定问题，一般情况下使用一个辐射模型 计算花费P1在较少计算量的情况下可以得到合理的精确度 精确度 DTRM 和 DOM 更精确 光学厚度 DTRM/DOM 对于薄光学介质更好 (L 1)；P1 对于厚光学介质更好。 散射 P1 和 DOM 适用于散射 粒子效果 P1 和 DOM 适用于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问题更合适,Define,Models,Radiation,报告热流量,报告热流量,热流量报告 推荐使用热平衡检查来确定解是否真的收敛 导出热流数据 可以导出壁面上的热流量数据到文件中（包括辐射） 使用文本界面:file/export/custom-heat-flux 文件格式:,zone-name nfaces x_f y_f z_f A Q T_w T_c HTC ,报告传热系数,报告传热系数,基于壁面的传热系数只在湍流流动且能量方程被激活的状态下可用,小结,小结,相关概念可以在帮助中找到 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 其它学习资源 由FLUENT提供的传热方面的高级培训课程 公司网站， 所有指南 用户文件,
