7传热模型

• 薄壁方法中，壁面厚度不需划分网格 • 在两个区域之间模拟薄层的材料 • 求解器施加热阻 x/k Interior wall Exterior wall • 边界条件施加在外层面上 (user-specified (user-specified
thickness) Outer surface (calculated) Inner surface (thermal boundary condition specified here) Fluid or solid cells Fluid or solid cells
Thermal boundary conditions are supplied on the inner surfaces of uncoupled wall/shadow pairs
离散坐标模型
• 在有限的离散立体角度σs上求解辐射输运方程 :
Absorption
Emission
Scattering
• 设置操作密度或 • 让 FLUENT 从单元平均中计算 ρ0
辐射
• 当和对流及导热换热相比， 量级相当时，应该考虑辐射效应 – σ ， Stefan-Boltzmann常数, 5.67×10-8 W/(m2· K4 ) • 要考虑辐射，需求解辐射强度输运方程RTEs – 当地流体对辐射能的吸收，以及边界对辐射的吸收，把RTEs 和能量方程耦合起 来 – 这些方程常常和流动方程分离求解，然而，他们也可以和流动耦合 • 辐射强度, I(r,s),和方向及空间是相关的 • FLUENT中有五个辐射模型 – 离散坐标模型 (DOM) – 离散传输辐射模型 (DTRM) – P1 模型 – Rosseland 模型l – Surface-to-Surface (S2S)
• 优势: – 守恒方法能保证粗的离散方式上实现热平衡
• 通过更密的离散方式能提高精度
– 最综合性的模型:
• 考虑了散射、半透明介质、镜面以及波长相关的灰体模型
• 局限性: – 求解大数量坐标耗费CPU过多
• 主要的假设 – 特定范围角度的离开表面的辐射能用一束射线近似
• 使用射线跟踪技术，沿着每条射线积分辐射强度 • 优势: – 相对简单的模型 – 增加射线数量能提高精度 – 适用大范围的光学厚度 • 局限性: – 假设所有表面是漫射的. – 不包括散射. – 求解大数量的射线耗费CPU过多.
自然对流的用户输入
• 在操作条件面板中定义重 力加速度 • 定义密度模型
– Boussinesq 模型
• 激活重力项. • 设置操作温度 T0. • 选择 Boussinesq 模型，输入 密度值 ρ0. • 设置热膨胀系数 β.
– 使用温度变化模型 (ideal gas, AungierRedlich-Kwong, polynomial):
离散传输辐射模型 (DTRM)
P-1 模型
• 主要假设 – 对RTE积分后，和方向不再相关，导出入射辐 射的扩散方程 • 优势:
– 辐射传热方程更易求解，耗费资源少 – 包括散射效应 – 对光学厚度大的应用（如燃烧）较合理
• 颗粒、液滴和烟灰的影响
• 局限性:
– 假设所有面都是漫射的 – 如果光学厚度小的话，可能导致精度损失（取决于几何的复 杂性） – 对局部热源或汇，预测的辐射热过高
壁面边界条件 • 五类热边界条件
– 热流量 – 温度 – 对流 – 模拟外部环境的对流（用户定义换热系数） – 辐射 – 模拟外部环境的辐射（用户定义外部发射率和 辐射温度） – 混合 – 对流和辐射边界的 结合.
• 壁面材料和厚度可以定义 • 为一维或壳导热计算
共轭传热
• CHT固体域的导热和流体域的对流换热耦合 • 在流体/固体交界面使用耦合边界条件
Surface-to-Surface (S2S) 辐射模型
• S2S辐射模型用于模拟介质不参与的辐射
– 例如，太空飞船的排热系统、太阳能搜集系统、辐射加热器、汽 车发动机舱散热等 – S2S 是基于角系数的模型 – 假设没有介质参与
• 局限性:
– S2S 模型假设所有面是散射的 – 假设是灰体辐射 – 随着表面数量的增加，存储和内存增加很快
对固体板划分网格 vs. 薄壁方法
• 薄壁方法
– 人工模型模拟壁面热阻 – 壁面需要必要的数据输入（材料导热系数，厚度） – 只有对内部边界用耦合边界条件
Wall zone (no shadow) Fluid zone
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 Shell Conduction is enabled.
• P1 和 DOM 能考虑气体和颗粒间的辐射换热
– 局部热源
• 适合用DTRM/DOM 带足够数量的射线/坐标计算
能量方程源项 – 粘性耗散 • 粘性耗散引起的能量源项:
– 也称为粘性加热 – 对粘性剪切力大的流体 （如润滑油）和高速可压 缩流动比较重要 – 常常忽略
• 缺省的压力基求解器不包括. • 密度基求解器一般包括.
– 单位质量的能量 E :
– 对可压缩性流体，或者密度基求解器，总是考虑压力做功和动能。对 压力基求解器计算不可压流体，这些项被忽略，可以用下面的命令加 入: – define/models/energy?
固体域的能量方程
• 能计算固体域的导热
• 能量方程:
– h 显焓:
• 固体域的各向异性导热系数（压力基求解器）
• 对固体板划分网格
对固体板划分网格 vs. 薄壁方法
– 在固体域求解能量方程l. – 板厚度需用网格离散 – 最精确的方法，但需要多计算网格 – 由于壁面两侧都有网格，总是应用耦合热边界条件
Wall zone (with shadow) Fluid zone
Solid zone
Wall thermal resistance directly accounted for in the Energy equation; Through-thickness temperature distribution is calculated. Bidirectional heat conduction is calculated.
• 能量方程
Leabharlann Baidu概要
• 壁面边界条件
• 共轭传热
• 薄壁和双面壁
• 自然对流 • 辐射模型 • 报告-输出
能量方程
• 能量输运方程:
Unsteady
Conduction
Conduction
Species Diffusion
Viscous Dissipation
Enthalpy Source/Sink
• 壳导热模型处理板 内部的导热 • 求解器创建额外的 导热单元，但不能 显示，也不能通过 UDF获得
壳导热模型
• 固体属性必须是常 数，不能和温度相 Static Temperature (cell value) 关
Virtual conduction cells
自然对流
• 当流体加热后密度变化时，发生自然对流
Grid
Velocity Vectors
Temperature Contours
Coolant Flow Past Heated Rods
共轭传热例子
Symmetry Planes Air outlet
Top wall (externally cooled) h = 1.5 W/m2∙K T∞ = 298 K Electronic Component (one half is modeled) k = 1.0 W/m∙K Heat generation rate of 2 watts (each component)
能量方程 – 源项
• 由于辐射引起的能量源项 • 相间能量源项:
– 包括连续相和离散相间的传热 – DPM, 喷雾, 颗粒…
薄壁中的温度分布
• 薄壁模型应用于法向导热，不生成实际的单 元 • 壁面热边界条件应用于外层
Static temperature (cell value) Thin wall (no mesh) Thermal boundary condition on wall Wall temperature (inner surface) Wall temperature (outer surface)
q1 or T1 q2 or T2
薄壁和两侧壁面
thickness)
Interior wall shadow (user-specified thickness)
x
k1
k2
Fluid or solid cells
Thermal boundary conditions are supplied on the inner surface of a thin wall
Air inlet V = 0.5 m/s T = 298 K
Circuit board (externally cooled) k = 0.1 W/m∙K h = 1.5 W/m2∙K T∞ = 298 K
问题设置-热源
• 在固体域加入热源模拟电子部件的生成热
温度分布
Temp. (º F) 426 410 394 378 362 346 330 314 298
Front View
Convection boundary 1.5 W/m2 K 298 K free stream temp
Top View (image mirrored about symmetry plane)
替代的模拟策略
• 可替代的策略为模拟壁面为一有厚度面 (Thin Wall model). • 这时，不需对固体域划分网格
Flow direction Board (solid zone) Elect. Component (solid zone) 2 Watts source Convection Boundary 1.5 W/m2 K 298 K free stream temp. Flow direction Air (fluid zone)
• 可以使用面族来减少内存使用
– 面族不能和滑移网格及悬节点同时使用
– 不能使用于周期性或对称边界条件
输出 – ANSYS
• 输出扩展名为 .rfl的 ANSYS 结果文件，读入到ANSYS的顺序为：
1. 在 ANSYS中，到“ General Postproc Data”及“ File Options”，读入 FLUENT生成的文件 2. 到“ Results Summary ”，点击第一行，能看到ANSYS_56_OUTPUT窗 口显示的几何信息 3. 在 ANSYS 输入窗口，键入下面的命令: SET,FIRST /PREP7 ET,1,142 最后一个命令对应 FLOTRAN 3D 单元，如果你使用二维计算，应改 为：ET,1,141. 4. 在 ANSYS MULTIPHYSICS UTITLITY 菜单，选择 Plot 及 Nodes 或 Elements, 在 下拉窗口的Results中，选择包括节点
– 当 Brinkman 数接近或超过 1时重要
• 多组分流中因为组分 扩散引起的能量源项：
能量方程源项 – 组分扩散
– 包括了由于组分扩散 引起的焓输运效应 – 密度基求解器总包含 – 在压力基求解器中可 以不显示此项
• 化学反应流中由于化学反应引起的能量源项
– 所有组分的生成焓 – 所有组分的体积生成率
• 指南： – 计算代价
– 精度
选择辐射模型
• P1 计算代价小，有合理的精度
• DTRM 和 DOM 最精确.
– 光学厚度
• DTRM/DOM 适合光学厚度小的模型 (αL << 1) • P1 适合光学厚度大的模型. • S2S 适合零厚度模型
– 散射
• 只有 P1 和 DO能考虑散射
– 颗粒辐射
• 流动是由密度差引起的重力驱动的
• 有重力存在时，动量方程的压力梯度和体积力 项重写为：: 其中
• Boussinesq 模型假设流体密度是不变的，只是改变动量方程沿着重力方 向的体积力
– 适用于密度变化小的情况 (例如，温度在小范围内变化).
自然对流 –Boussinesq 模型
• 对许多自然对流问题，Boussinesq 假设有更好的收敛性 – 常密度假设减少了非线性. – 密度变化较小时适合. – 不能和有化学反应的组分输运方程同时使用. • 封闭空间的自然对流问题 – 对稳态问题，必须使用 Boussinesq 模型. – 非稳态问题，可以使用 Boussinesq 模型或者理想气体模型