1、 358 制冷与空调 2014 年 文章编号： 1671-6612（ 2014） 03-358-03 对 FLUENT 辐射模型的数值 计算与分析 郭 磊（中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043） 【摘 要】 通过一个含有内热源面的三维房间模型，运用 FLUENT 软件对相同条件下，不同的辐射模型进行了数值模拟计算。通过计算结果的比较分析得出：对于这样一个具有热表面的封闭空间的对流、辐射换热问题，采用 DO 辐射模型与 k- 模型的耦合计算能够得到较好的计算结果。 【关键词】 数值计算；辐射模型；温度场 中图分类号 TU831.3 文献标识码 A Numerical Calcula
2、tion and Analysis of the FLUENT Radiation Model Guo Lei ( China Railway First Survey radiation model; temperature field 作者（通讯作者）简介：郭 磊（ 1981.1-） ，男，工学硕士，工程师， E-mail： 274771159qq.om 收稿日期： 2013-06-03 0 引言 在众多工程的数值模拟计算中， 我们都会用到辐射模型。不同的辐射模型，会影响计算的成本、时间及结果。 为了能更好的对工程实例进行模拟计算， 本文通过建立一个含有内热源面的三维封闭房间模型，在同样的
3、环境温度下，研究不同的辐射模型导致热源面对室内热环境的影响。 1 物理模型的建立 1.1 几何模型 为了更好的验证模型， 本文建立一个简化的三维房间几何模型（长 宽 高 =6m6m6m） 。在房间的地板面中间建立一个辐射热源面（长 宽=2m2m） 。根据此图的坐标，分别对各面进行编号，如图 1 所示。 1.辐射面； 2.顶面； 3.右墙面； 4.左墙面； 5.背面； 6.前面； 7.地板面 图 1 计算房间的几何图形 Fig.1 Geometric calculations room 1.2 物理参数 室外设计温度取为- 8，室内设计温度为203。采用 Boussinesq 假设，此时室内空气
4、的物第 28 卷第 3 期 2014 年 6 月 制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning Vol.28 No.3 Jun. 2014.358 360第 28 卷第 3 期 郭 磊：对 FLUENT 辐射模型的数值计算与分析 359 性参数如下4：密度 =1.205kg/m3，定压比热Cp=1005J/ ，导热系数 =0.0259W/mK，粘度系数 =15.0610-6m2/s ，热膨胀系数 =0.003413（ 1/K） 。外墙的设计参数如表 1。 表 1 围护结构有关热工参数 Table 1 The thermal parameters of bui
5、lding envelope 名称 厚度 mm 平均密度 kg/m3平均导热系数 W/(m ) 平均比热 J/(kg ) 传热系数 W/(m2K) 材料表面的发射率 外墙 240 2827 15.1 1078.6 0.33 0.82 外窗 5 2500 0.144 840 4.2 0.94 外门 50 700 1.146 2500 1.76 0.85 外墙的表面发射率为 0.828，墙体外表面与室外空气的综合对流换热系数为 23W/m23。室内空间充满了常温空气， 在空气层厚度不大和温度不高时，它们的辐射和吸收能力可以略去不计，认为它们是透热体4；空气对吸收光带内的投入辐射，有吸收和透过而不计
6、反射和散射4。所以，认为此房间内空气的吸收系数为 0 cm-1。 1.3 边界条件 本房间的热源面 1 采用恒壁温的固体壁边界条件，温度 T=450K，地板面 7 是绝热固体壁，其他的所有面均作为固体壁（ wall）处理，其外表面采用第三类对流换热边界条件。 1.4 传热平衡 由于本房间存在一个温度很高的热表面， 在整个房间中，包含了多种换热过程：热表面与室内空气的对流换热以及对其它内表面的辐射换热； 墙体内表面与室内空气的对流换热以及与其它内表面的辐射换热；墙体自身的导热；还有墙体外表面与室外空气的对流换热。整个房间要达到热平衡，必须是室内热表面释放的总热量等于墙体所有外表面向周围环境释放的
7、热量之和。 2 辐射模型的数值计算 采用对流和辐射换热模型进行耦合计算， 在计算中作 Z=3m 的横断面，通过显示这个断面上的温度场分布，可以了解室内热环境状况。各种辐射模型的计算结果如下。 （ a） DO 模型 （ b） DTRM 模型 （ c） P1 模型 （ d） Rosseland 模型 （ e） S2S 模型 图 2 五种辐射模型在 Z=3m 断面的温度场分布 Fig.2 The five radiation model in the Z=3m section on the distribution of the temperature field 360 制冷与空调 2014 年
8、表 2 五种辐射模型的能量不平衡率比较 Table 2 Five kinds of radiation model of energy imbalance rate 模 型 能量不平衡率 DO 辐射模型 DTRM 辐射模型 P1 辐射模型 Rosseland 辐射模型 S2S 辐射模型 总换热量 1.08 9.3 32 4.33 2.37 辐射换热量 0.84 14.8 35.4 4.36 3.09 从上表可知， DO 辐射模型的能量不平衡率最小，其次是 S2S 模型和 Rosseland 的辐射模型。在Rosseland 辐射模型中，辐射换热量几乎等于总换热量， 此现象违背了室内换热是对流和
9、辐射共同作用的规律。 P1 模型，虽然能够得到较好的温度场分布，但它的能量不平衡率最大。 S2S 辐射模型的能量不平衡率比较小，但从其温度场来看，室内空气流动是完全依靠浮升力驱动、 没有任何外加的强迫力情况下， 水平热源面上方的速度场方向发生了很大的偏斜。 总之，通过对各种模型的速度场、温度场分布及能量不平衡率的对比分析，初步判断：只有 DO辐射模型对室内热环境做出了很好地描述， 而且达到了较好的热平衡。 3 辐射模型的解析计算与结果比较 通过以上的模拟计算， 得出 DO 辐射模型能很好地描述这种有内热源面的房间的换热情况。 为了更进一步验证 DO 模型的可行性， 本文利用辐射换热的理论计算公
10、式，进行解析计算。将解析计算和DO 模型数值计算的各表面辐射换热量进行比较，见表 3。 表 3 解析计算与 DO 模型数值计算辐射换热量的比较 Table 3 Comparison of calculation of radiation heat transfer numerical analysis and DO model 壁面 名称 1 2 3 4 5 6 7 净差值 数值计算的辐射换热量（ W） 7103.1 -1538.3 -1466.6 -1463.2 -1455.8 -1442.3 203.65 -59.558解析计算的辐射换热量（ W） 7166.8 -1689.8 -1237
11、.3 -1241.3 -1293.5 -1276.2 0 428.7 由上表可知， 解析计算出热表面 1 的辐射换热量约为 7166.8W， 模拟计算的热表面 1 的辐射换热量为 7103.1W，基本接近。表面 2 的解析计算辐射换热量约为- 1689.8W，模拟计算的辐射换热量约为- 1538.3W，相差 9.5%，符合要求。 4 小结 本文对 FLUENT 软件提供的五种辐射模型逐一进行了验证计算，并对比其速度场、温度场和热流量平衡等因素，同时又进行了相关的解析计算。通过结果的对比分析， 得出了对于这种含有内热源面的三维封闭空间模型， 运用 DO 辐射模型的模拟计算，能够更好地反映该类辐射
12、换热问题。 参考文献： 1 陆耀庆 .实用供热空调设计手册 M.北京 :中国建筑工业出版社 ,2008. 2 GB 50019-2003,采暖通风和空气调节设计规范 S.北京 :中国计划出版社 ,2003. 3 贺平 ,孙刚 .供热工程（第三版） M.北京 :中国建筑工业出版社 ,1993:44-46. 4 章熙民 ,任泽霈 ,梅飞鸣 .传热学（第 3版） M.北京 :中国建筑工业出版社 ,1993:155-220. 5 陶文辁 .数值传热学 M.北京 :西安交通大学出版社 , 2001:333-335. 6 郭磊 .严寒地区火力发电厂锅炉紧身封闭内冬季空气热环境的改善 D.西安 :长安大学 ,2006. 7 卞伯绘 .辐射换热的分析与计算 M.北京 :清华大学出版社 ,1988:92-111. 8 杨贤荣 ,马庆芳 ,原庚新 ,等 .辐射换热角系数手册 M.北京 :国防工业出版社 ,1982:54-84. 9 宫克勤 ,刘红升 ,李晓庆 ,等 .燃气辐射采暖系统传热过程分析 J.制冷与空调 ,2010,24(4):24-26.
