Fluent輻射傳熱模型理論以及相關(guān)設(shè)置

1、Fluent輻射傳熱模型理論以及相關(guān)設(shè)置目錄1。概述2。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 2?；A(chǔ)理論22、1專業(yè)術(shù)語解釋:2。2、2。FLUENT輻射模型介紹:2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 2、3。輻射模型適用范圍總結(jié)23。Fluen t實(shí)際案例操作2。 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3、1。Ca sei-測試 e xterna l emiss i vity 使用 DO 模型計(jì)算-2D 模型2 HYPERL

2、INK l bookmark38 o Current Document 3、2。Case2-測試 i nterna l e mi s sivity-使用 DO 模型計(jì)算-2D 模型23、3。仿真結(jié)論。21概述在傳熱得仿真中，有時候會不可避免得涉及到輻射傳熱，而我們對Fluent中輻射模型得了解甚少，很難 得到可靠得計(jì)算結(jié)果。因此，一直以來,Flu ent中得帶輻射得傳熱仿真就是我們得一個難點(diǎn)，本專題重 點(diǎn)來學(xué)習(xí)輻射模型得理論，讓我們對輻射計(jì)算模型有一個深入得了解，以幫助我們攻克這個仿真難點(diǎn)。2基礎(chǔ)理論2.1專業(yè)術(shù)語解釋：在Fluent中開啟輻射模型時，流體介質(zhì)以及固體壁面會出現(xiàn)一些專業(yè)得參數(shù)需

3、要用戶來設(shè)置。在Fluent help中介紹輻射模型時會經(jīng)常提到一些專業(yè)術(shù)語。對這些專業(yè)參數(shù)以及術(shù)語,我們來一一解釋：1、O p ti c al thickness（光學(xué)深度，無量綱量）:介質(zhì)層不透明性得量度。即介質(zhì)吸收輻射得能力得量度, 等于入射輻射強(qiáng)度與出射輻射強(qiáng)度之比。設(shè)入射到吸收物質(zhì)層得入射輻射強(qiáng)度為I ,透射得輻射強(qiáng) 度為e,則T = I/e,其中T為光學(xué)深度。按照此定義，那介質(zhì)完全透明，對輻射不吸收、也不散射透 射得輻射強(qiáng)度e =入射輻射強(qiáng)度I,即光學(xué)深度為T = 1,介質(zhì)不參與輻射。一摘自百度百科而FLUENT中T=aL,其中L為介質(zhì)得特征長度,a為輻射削弱系數(shù)（可理解為介質(zhì)因吸

4、收與散 射引起得光強(qiáng)削弱系數(shù)）。如果T=0,說明介質(zhì)不參與輻射，與百度百科中得定義有出入。但就是所表達(dá) 得意思就是接近得，一個就是前后輻射量得比值;一個就是變化量與入射輻射量得比值（根據(jù)Fluen t help 里得解釋，經(jīng)過介質(zhì)得輻射損失量=I*T,個人理解,按照此定義,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）。該問題得解釋為:其實(shí)一點(diǎn)也不矛盾，如果Opt ic a l t hi c

5、k ness =1,就說明輻射在經(jīng)過一定特征長度L得介質(zhì)后被完全吸收。如果1,就說明輻射根本穿透不了特 征長度L得介質(zhì)，而被早早吸收完了。打個比方,Optic al thickness=10，說明輻射在經(jīng)過L/1 0距離 后已經(jīng)被吸收（或散射）完。其中& = aA+ a S;2、Absor ption Coeff i c i en t （ aA吸收系數(shù)，單位1/m,見圖2-1）：因?yàn)榻橘|(zhì)吸收而導(dǎo)致得輻射 強(qiáng)度在經(jīng)過每單位長度介質(zhì)后改變得量?？諝庾鳛榱黧w介質(zhì)時，一般不吸收熱輻射，該系數(shù)可近視設(shè)為0。 而當(dāng)氣體中水蒸氣與CO 2含量較高時，那對輻射得系數(shù)就不能忽略了。3、Scattering C

6、oe f ficient（ aS散射系數(shù)，單位1 / m）:因?yàn)榻橘|(zhì)散射而導(dǎo)致得輻射強(qiáng)度在經(jīng)過每單 位長度介質(zhì)后改變得量?？諝庾鳛榱黧w介質(zhì)時，一般情況下，該系數(shù)可近視設(shè)為。對于含顆粒物得流體,散射作用不容忽視。4、Refrac tive Inde x（折射系數(shù),無量綱量）:介質(zhì)中得光速與真空中得光速之比。如就是空氣， 可近視設(shè)為1（默認(rèn)值）。一般對于具有方向性得輻射源問題，比如LED發(fā)光或激光等光學(xué)傳熱問題，輻射 在經(jīng)過水以及玻璃等透明介質(zhì)時，需要設(shè)置該參數(shù)。一般情況，熱輻射在計(jì)算域中就是往各個方向輻射得, 各項(xiàng)同性，沒有方向性，該參數(shù)設(shè)為1即可。陋拉起I看5陋拉起I看5圖2-1介質(zhì)得輻射相關(guān)

7、參數(shù)設(shè)置5、Diffuse Ref lecti on（漫反射）：輻射到不透明固體表面得能量，一部分被固體吸收另一部分被反射，其中反射分為鏡面反射與漫反射。6、Specu la r Refle ct i on （鏡面反射）:7、Internal Emissivi t y（內(nèi)部發(fā)射率）：處于計(jì)算域中得 couple wal l, sol id與 f l uid zone 或者so li d與solid zone或者flui d與 fluid z one之間得輻射率。8、Ext e rna l Emis s ivity（外部發(fā)射率）:處于計(jì)算邊界上wall,外部環(huán)境與wall之間得輻射率。對 于基于

8、灰體輻射假設(shè)得計(jì)算，灰體輻射率不隨波長變化，灰體輻射率二吸收率；9、Th et a Division and Phi Div i s i on:設(shè)置為2,可作為初步估算;為了得到更為準(zhǔn)確得結(jié)果, 最少設(shè)置成3,甚至為5,Fluent13、0默認(rèn)值為4。0、Th e ta Pixe l s and Phi Pixel s :對于灰體輻射,默認(rèn)值1*1足夠了;但就是對于涉及到對稱 面、周期性邊界、鏡面反射、半透明邊界時，需設(shè)置為3*3;2.2 F LUENT輻射模型介紹：Fluent中有五種輻射計(jì)算模型，各個模型得使用范圍以及其優(yōu)缺點(diǎn)分別為：1、DTRM 模型：優(yōu)勢:模型相對簡單，可以通過增加射線

9、數(shù)量來提高計(jì)算精度，適用于光學(xué)深度范圍非常廣得各種輻 射問題。限制:1）模型假設(shè)所有面都就是漫反射，意味著輻射得反射相對于入射角就是各項(xiàng)同性得，無鏡面反射。2）忽略散射作用。3）灰體輻射假設(shè)。4 ）使用大數(shù)目射線求解問題，非常耗費(fèi)CPU資源。5）與非一致網(wǎng)格（n on-conformal inte rf ace）、滑移網(wǎng)格（sli d ing me s h）不能一起使 用，不能用并行計(jì)算。2、P1模型;：優(yōu)勢：相比口丁區(qū)乂模型r1模型耗費(fèi)自己資源更少,并且考慮了散射作用;對于光學(xué)深度較大得燃燒 模型1模型更穩(wěn)定。P1模型使用曲線中uobiao比較容易處理復(fù)雜幾何得輻射問題。限制：1）假設(shè)所有面

10、都就是漫反射，與DTRM相同。2）使用與灰體與非灰體輻射問題。3）如果光學(xué)深度很小時，模型計(jì)算精度取決于幾何得復(fù)雜性。4）對于局部熱源以及散熱片問題，該模型會夸大輻射傳熱量。3、Ross 1 and 模型：優(yōu)勢:相對P1模型。它不求解額外得關(guān)于入射輻射得傳輸方程因此比P1模型耗資源要少。限制:只能用于光學(xué)深度比較大得情況，推薦用于光學(xué)深度大于3得情況;不能用于密度求解器，只能用 于壓力求解器。4、Su r face-t o - Su r f ace（ S 2S）輻射模型；優(yōu)勢:非常適用于封閉空間中沒有介質(zhì)得輻射問題，（如航天器、太陽能搜集系統(tǒng)、輻射供熱裝置等）； 限制：1 ）所有面都就是漫反射

11、。）灰體輻射假設(shè)。）在表面增加時，耗費(fèi)計(jì)算資源大幅增加。4）不能用于介質(zhì)參與得輻射問題（participat i ng rad i ation）。5）不能與周期性邊界、對稱邊界、非一致網(wǎng)格交界面、網(wǎng)格自適應(yīng)一起使用。5、DO模型優(yōu)勢:適用于所有光學(xué)深度范圍得輻射問題；既能求解S2S得無介質(zhì)封閉區(qū)域問題，也能求解介質(zhì)參 與得輻射問題。適用于灰體、非灰體、漫反射、鏡面反射以及半透明介質(zhì)得輻射。2.3輻射模型適用范圍總結(jié)DTRM與D0模型幾乎可適用于所有光學(xué)深度問題相比之下,DO模型得范圍更廣。光學(xué)深度1,可用P 1與Rossland模型；而 3時,R o s s l a n 模型比較合適。對于光學(xué)

12、深度1得問題，只能用DTRM與DO模型。S2S適用于光學(xué)深度為0得問題，即流體介質(zhì)不參與輻射得問題?？偨Y(jié):一般關(guān)于空氣對流輻射得問題,屬于光學(xué)深度=0得問題，因此可使用DTRM、S2S、DO模型, 在ICEPAK解決輻射問題就有這三個模型得選項(xiàng)(在13、0版本中才加入DTRM與DO模型)。3 Flue nt實(shí)際案例操作從簡單得2D case入手，在實(shí)際操作中真正搞清楚emissivit y與abs o rp t i o n co e ffic i ent得 含義，以及Flue n t中 s oli d與f 1 uid zone之間得輻射傳熱機(jī)理。Case1-測試external em is s

13、iv it y 使用D O 模型計(jì)算一2D模型2口模型，直徑 2m,externa1 rad iat i on temperature 4 00K,圓形為so lid,恒溫 300KaucwrtiE 3 Mt i-O?JK4rQZ3 glpaucwrtiE 3 Mt i-O?JK4rQZ3 glp言 ajOOcHK:WjOOe* IJKirni 3 00tHEinlnurs nTSIalc lempEMlurei圖3-1溫度場分布圖Cel Zqn014 二(WUMEg EmK 5 rli Cel Zqn014 二(WUMEg EmK 5 rli tyThwnaiCnfrltlcflsExter

14、nd RadhAnn IwrpB,fiLursltaMEH和強(qiáng)行礴1MM emf A：fi Pjbe (yhAd!?圖3-2輻射換熱設(shè)置設(shè)置external e m i ssi v ity 1，計(jì)算出外界對wall輻射傳熱功率為6230、3 1 88 W,根據(jù)理論公式計(jì)算:Pra=5、67 e -8*1*3、1 4*2*( 4 00A4-30 0 八4)= 6 2 3 1W。仿真結(jié)果與理論計(jì)算非常接近。#e x te rn a l emissivity設(shè)成0、5,計(jì)算出輻射傳熱功率為31 14、6W。改變internal em is si vi ty得值,計(jì)算值不變。從以上仿真結(jié)果可知：1、2

15、、1小結(jié)得第八點(diǎn)external emissivity得解釋就是正確得，輻射傳熱基于灰體假設(shè)，輻射系 數(shù)等于吸收系數(shù)。C ase2 一測試 inter n al emis si vity-使用 D。模型計(jì)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圖 3-3 從里到外 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 嗎 hadtXHErtefriai vmI Brtttfcir-：3rtie比i r-5: CO q -+山 口內(nèi)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 冊 Rata Tutalh&at Tr-ansfef RabHe胃 Transfer n.ate圖3-4溫度

17、分布以及換熱量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圖O n.dlation HmT Pate從圖

18、4、5可知,上下兩張圖得溫度分布非常相近，上圖中溫度稍高，而zone之間得換熱量存在差異， 將internal emissivity改為0,代表兩個不同材料得z。ne之間輻射傳熱量為零，因此總傳熱量從 5555W降低至5 055W?？芍?F lu ent中認(rèn)為緊密相連得兩個solid zone（存在c。u p le w a ll）之間就 是存在輻射傳熱得（也可設(shè)置為無輻射傳熱），相當(dāng)于實(shí)際情況中得兩個物體得接觸面，只不過在Flu ent中未設(shè)置接觸熱阻?？偨Y(jié):實(shí)際情況中有接觸熱阻,有輻射傳熱;Flue nt中無接觸熱阻，有輻射傳熱。用Flu e nt 一般不進(jìn)行涉及接觸熱阻細(xì)節(jié)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舊 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盧加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舊 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盧加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圖3-6溫度分布以及換熱量中心4O0K得s olid往external s olid得輻射傳熱功率為:Pra=5、67e-8*1*3、14*1*(400A4-335

22、 人)=2 315W,與fluent repr o t 值 2333W(包含了空氣熱傳導(dǎo)得功率）比較接近;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)圖3-7溫度分布以及換熱量將internal emissivtiy=0后，傳熱功率下降為2 1 W,說明無輻射換熱

24、時，僅靠空氣導(dǎo)熱得傳熱功率非常小。iii)Fluid 與 external s o lid 之間得 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)圖3 8溫度分布以及換熱量iv)Flu i d 與 external solid 之間得 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圖3-9溫度分布以及換熱量v)Fluid 與 e x ternal sol i d 之間得 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