FLUENT-第六節(jié)傳熱模型

1、第六節(jié)：傳熱模型概要n能量方程n壁面邊界條件n共軛傳熱n薄壁和雙面壁n自然對(duì)流n輻射模型n報(bào)告-輸出能量方程n能量輸運(yùn)方程: 單位質(zhì)量的能量 E : 對(duì)可壓縮性流體，或者密度基求解器，總是考慮壓力做功和動(dòng)能。對(duì)壓力基求解器計(jì)算不可壓流體，這些項(xiàng)被忽略，可以用下面的命令加入: define/models/energy? ConductionSpeciesDiffusionViscousDissipationConductionUnsteadyEnthalpy Source/Sink固體域的能量方程n能計(jì)算固體域的導(dǎo)熱n能量方程: h 顯焓:n固體域的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)（壓力基求解器）壁面邊界條件n

2、五類熱邊界條件 熱流量 溫度 對(duì)流 模擬外部環(huán)境的對(duì)流（用戶定義換熱系數(shù)） 輻射 模擬外部環(huán)境的輻射（用戶定義外部發(fā)射率和輻射溫度） 混合 對(duì)流和輻射邊界的 結(jié)合.n壁面材料和厚度可以定義n為一維或殼導(dǎo)熱計(jì)算共軛傳熱nCHT固體域的導(dǎo)熱和流體域的對(duì)流換熱耦合n在流體/固體交界面使用耦合邊界條件Coolant Flow Past Heated RodsGridVelocity VectorsTemperature Contours共軛傳熱例子Circuit board (externally cooled)k = 0.1 W/mKh = 1.5 W/m2KT = 298 KAir inletV

3、= 0.5 m/sT = 298 KElectronic Component(one half is modeled)k = 1.0 W/mKHeat generation rate of 2 watts (each component)Top wall(externally cooled)h = 1.5 W/m2KT = 298 KSymmetryPlanesAir outlet問題設(shè)置-熱源n在固體域加入熱源模擬電子部件的生成熱溫度分布FlowdirectionConvection Boundary1.5 W/m2 K298 K free stream temp.Convection bo

4、undary1.5 W/m2 K298 K free stream tempFront ViewTop View(image mirrored about symmetry plane)Elect. Component(solid zone)2 Watts sourceBoard(solid zone)Air (fluid zone)298426410394378362346330314Temp.(F)Flowdirection替代的模擬策略n可替代的策略為模擬壁面為一有厚度面 (Thin Wall model).n這時(shí)，不需對(duì)固體域劃分網(wǎng)格對(duì)固體板劃分網(wǎng)格 vs. 薄壁方法n對(duì)固體板劃分網(wǎng)格

5、 在固體域求解能量方程l. 板厚度需用網(wǎng)格離散 最精確的方法，但需要多計(jì)算網(wǎng)格 由于壁面兩側(cè)都有網(wǎng)格，總是應(yīng)用耦合熱邊界條件Fluid zoneSolid zoneWall zone(with shadow)Wall thermal resistance directly accounted for in the Energy equation; Through-thickness temperature distribution is calculated.Bidirectional heat conduction is calculated.對(duì)固體板劃分網(wǎng)格 vs. 薄壁方法n薄壁方法 人

6、工模型模擬壁面熱阻 壁面需要必要的數(shù)據(jù)輸入（材料導(dǎo)熱系數(shù)，厚度） 只有對(duì)內(nèi)部邊界用耦合邊界條件Fluid zoneWall zone(no shadow)Wall thermal resistance is calculated using artificial wall thickness and material type. Through-thickness temperature distribution is assumed to be linear.Conduction is only calculated in the wall-normal direction unless S

7、hell Conduction is enabled.殼導(dǎo)熱模型n殼導(dǎo)熱模型處理板內(nèi)部的導(dǎo)熱n求解器創(chuàng)建額外的導(dǎo)熱單元，但不能顯示，也不能通過UDF獲得n固體屬性必須是常數(shù)，不能和溫度相關(guān)Static Temperature(cell value)Virtual conduction cells自然對(duì)流n當(dāng)流體加熱后密度變化時(shí)，發(fā)生自然對(duì)流n流動(dòng)是由密度差引起的重力驅(qū)動(dòng)的n有重力存在時(shí)，動(dòng)量方程的壓力梯度和體積力項(xiàng)重寫為：:其中自然對(duì)流 Boussinesq 模型nBoussinesq 模型假設(shè)流體密度是不變的，只是改變動(dòng)量方程沿著重力方向的體積力 適用于密度變化小的情況 (例如，溫度在小范圍

8、內(nèi)變化).n對(duì)許多自然對(duì)流問題，Boussinesq 假設(shè)有更好的收斂性 常密度假設(shè)減少了非線性. 密度變化較小時(shí)適合. 不能和有化學(xué)反應(yīng)的組分輸運(yùn)方程同時(shí)使用.n封閉空間的自然對(duì)流問題 對(duì)穩(wěn)態(tài)問題，必須使用 Boussinesq 模型. 非穩(wěn)態(tài)問題，可以使用 Boussinesq 模型或者理想氣體模型自然對(duì)流的用戶輸入n在操作條件面板中定義重力加速度n定義密度模型 Boussinesq 模型 激活重力項(xiàng). 設(shè)置操作溫度 T0. 選擇 Boussinesq 模型，輸入密度值 0. 設(shè)置熱膨脹系數(shù) . 使用溫度變化模型 (ideal gas, Aungier-Redlich-Kwong, pol

9、ynomial): 設(shè)置操作密度或 讓 FLUENT 從單元平均中計(jì)算 0 輻射n當(dāng)和對(duì)流及導(dǎo)熱換熱相比， 量級(jí)相當(dāng)時(shí)，應(yīng)該考慮輻射效應(yīng) ， Stefan-Boltzmann常數(shù), 5.6710-8 W/(m2K4)n要考慮輻射，需求解輻射強(qiáng)度輸運(yùn)方程RTEs 當(dāng)?shù)亓黧w對(duì)輻射能的吸收，以及邊界對(duì)輻射的吸收，把RTEs 和能量方程耦合起來(lái) 這些方程常常和流動(dòng)方程分離求解，然而，他們也可以和流動(dòng)耦合n輻射強(qiáng)度, I(r,s),和方向及空間是相關(guān)的nFLUENT中有五個(gè)輻射模型 離散坐標(biāo)模型 (DOM) 離散傳輸輻射模型 (DTRM) P1 模型 Rosseland 模型l Surface-to-S

10、urface (S2S)選擇輻射模型n指南： 計(jì)算代價(jià) P1 計(jì)算代價(jià)小，有合理的精度 精度 DTRM 和 DOM 最精確. 光學(xué)厚度 DTRM/DOM 適合光學(xué)厚度小的模型 (L 1) P1 適合光學(xué)厚度大的模型. S2S 適合零厚度模型 散射 只有 P1 和 DO能考慮散射 顆粒輻射 P1 和 DOM 能考慮氣體和顆粒間的輻射換熱 局部熱源 適合用DTRM/DOM 帶足夠數(shù)量的射線/坐標(biāo)計(jì)算附錄太陽(yáng)輻射模型n太陽(yáng)輻射模型 太陽(yáng)輻射能量的射線追蹤算法，和其他輻射模型兼容 允許并行計(jì)算（但射線追蹤算法不能并行） 僅適用3Dn特點(diǎn) 太陽(yáng)方向向量 太陽(yáng)強(qiáng)度（方向，散射） 使用理論最大或氣象條件計(jì)算

11、方向和方向強(qiáng)度 瞬態(tài)情況 當(dāng)方向向量是用太陽(yáng)計(jì)算器算出的化，瞬態(tài)計(jì)算中太陽(yáng)方向矢量會(huì)隨時(shí)間改變 設(shè)置 “time steps per solar load update”能量方程源項(xiàng) 粘性耗散n粘性耗散引起的能量源項(xiàng): 也稱為粘性加熱 對(duì)粘性剪切力大的流體（如潤(rùn)滑油）和高速可壓縮流動(dòng)比較重要 常常忽略 缺省的壓力基求解器不包括. 密度基求解器一般包括. 當(dāng) Brinkman 數(shù)接近或超過1時(shí)重要能量方程源項(xiàng) 組分?jǐn)U散n多組分流中因?yàn)榻M分?jǐn)U散引起的能量源項(xiàng)： 包括了由于組分?jǐn)U散引起的焓輸運(yùn)效應(yīng) 密度基求解器總包含 在壓力基求解器中可以不顯示此項(xiàng)能量方程 源項(xiàng)n化學(xué)反應(yīng)流中由于化學(xué)反應(yīng)引起的能量源

12、項(xiàng) 所有組分的生成焓 所有組分的體積生成率n由于輻射引起的能量源項(xiàng)n相間能量源項(xiàng): 包括連續(xù)相和離散相間的傳熱 DPM, 噴霧, 顆粒薄壁中的溫度分布n薄壁模型應(yīng)用于法向?qū)?，不生成?shí)際的單元n壁面熱邊界條件應(yīng)用于外層Thermal boundary condition on wallStatic temperature(cell value)Thin wall(no mesh)Wall temperature(outer surface)Wall temperature(inner surface)薄壁和兩側(cè)壁面n薄壁方法中，壁面厚度不需劃分網(wǎng)格n在兩個(gè)區(qū)域之間模擬薄層的材料n求解器施加熱阻

13、 x/kn邊界條件施加在外層面上Thermal boundary conditions are supplied on the inner surface of a thin wallExterior wall(user-specified thickness)Fluid or solid cellsOuter surface(calculated)Inner surface(thermal boundary condition specified here)xInterior wall(user-specified thickness)1k2kInterior wall shadow(use

14、r-specified thickness)22 or Tq11 or TqThermal boundary conditions are supplied on the inner surfaces of uncoupled wall/shadow pairsFluid or solid cellsFluid or solid cells離散坐標(biāo)模型AbsorptionEmissionScatteringn在有限的離散立體角度s上求解輻射輸運(yùn)方程 :n優(yōu)勢(shì): 守恒方法能保證粗的離散方式上實(shí)現(xiàn)熱平衡 通過更密的離散方式能提高精度 最綜合性的模型: 考慮了散射、半透明介質(zhì)、鏡面以及波長(zhǎng)相關(guān)的灰體

15、模型n局限性: 求解大數(shù)量坐標(biāo)耗費(fèi)CPU過多離散傳輸輻射模型 (DTRM)n主要的假設(shè) 特定范圍角度的離開表面的輻射能用一束射線近似n使用射線跟蹤技術(shù)，沿著每條射線積分輻射強(qiáng)度n優(yōu)勢(shì): 相對(duì)簡(jiǎn)單的模型 增加射線數(shù)量能提高精度 適用大范圍的光學(xué)厚度n局限性: 假設(shè)所有表面是漫射的. 不包括散射. 求解大數(shù)量的射線耗費(fèi)CPU過多.P-1 模型n主要假設(shè) 對(duì)RTE積分后，和方向不再相關(guān)，導(dǎo)出入射輻射的擴(kuò)散方程n優(yōu)勢(shì): 輻射傳熱方程更易求解，耗費(fèi)資源少 包括散射效應(yīng) 顆粒、液滴和煙灰的影響 對(duì)光學(xué)厚度大的應(yīng)用（如燃燒）較合理n局限性: 假設(shè)所有面都是漫射的 如果光學(xué)厚度小的話，可能導(dǎo)致精度損失（取決于

16、幾何的復(fù)雜性） 對(duì)局部熱源或匯，預(yù)測(cè)的輻射熱過高Surface-to-Surface (S2S) 輻射模型nS2S輻射模型用于模擬介質(zhì)不參與的輻射 例如，太空飛船的排熱系統(tǒng)、太陽(yáng)能搜集系統(tǒng)、輻射加熱器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱等 S2S 是基于角系數(shù)的模型 假設(shè)沒有介質(zhì)參與n局限性: S2S 模型假設(shè)所有面是散射的 假設(shè)是灰體輻射 隨著表面數(shù)量的增加，存儲(chǔ)和內(nèi)存增加很快 可以使用面族來(lái)減少內(nèi)存使用 面族不能和滑移網(wǎng)格及懸節(jié)點(diǎn)同時(shí)使用 不能使用于周期性或?qū)ΨQ邊界條件輸出 ANSYSn 輸出擴(kuò)展名為 .rfl的 ANSYS 結(jié)果文件，讀入到ANSYS的順序?yàn)椋?1. 在 ANSYS中，到“ General

17、 Postproc Data”及“ File Options”，讀入FLUENT生成的文件2. 到“ Results Summary ”，點(diǎn)擊第一行，能看到ANSYS_56_OUTPUT窗口顯示的幾何信息3. 在 ANSYS 輸入窗口，鍵入下面的命令: SET,FIRST/PREP7ET,1,142最后一個(gè)命令對(duì)應(yīng) FLOTRAN 3D 單元，如果你使用二維計(jì)算，應(yīng)改為：ET,1,141. 4. 在 ANSYS MULTIPHYSICS UTITLITY 菜單，選擇 Plot 及 Nodes 或Elements, 在 下拉窗口的Results中，選擇包括節(jié)點(diǎn)輸出 ANSYS n通過 GUI 或

18、 TUI輸出ANSYS 文件 /file/export/ansys file-namen文件包括坐標(biāo)、連接關(guān)系及下面 的標(biāo)量： Density, viscosity X, Y, Z velocity, pressure, temperature Turbulence kinetic energy, turbulence dissipation rate, turbulent viscosity, effective viscosity Thermal conductivity (laminar, turbulent, effective) Total pressure and temperature, pressure coefficient, Mach number, stream function, heat flux, heat transfer coefficient, wall shear stress, specific heat輸出 ABAQUSn輸出