FLUENT培训教材06传热模型

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1、A Pera Global Company PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材 第六节：传热模型安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China概要n能量方程n壁面边界条件n共轭传热n薄壁和双面壁n自然对流n辐射模型n报告-输出A Pera Global Company PERA China能量方程n能量输运方程: 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? ConductionS

2、pecies DiffusionViscous DissipationConductionUnsteadyEnthalpy Source/SinkA Pera Global Company PERA China固体域的能量方程n能计算固体域的导热n能量方程: h 显焓:n固体域的各向异性导热系数（压力基求解器）A Pera Global Company PERA China壁面边界条件n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.n壁面材料和厚度可以定义n为一维或壳导热计算A

3、Pera Global Company PERA China共轭传热nCHT固体域的导热和流体域的对流换热耦合n在流体/固体交界面使用耦合边界条件Coolant Flow Past Heated RodsGridVelocity VectorsTemperature ContoursA Pera Global Company PERA China共轭传热例子Circuit board (externally cooled) k = 0.1 W/mK h = 1.5 W/m2K T = 298 KAir inlet V = 0.5 m/s T = 298 KElectronic Componen

4、t (one half is modeled) k = 1.0 W/mK Heat generation rate of 2 watts (each component)Top wall (externally cooled) h = 1.5 W/m2K T = 298 KSymmetry PlanesAir outletA Pera Global Company PERA China问题设置-热源n在固体域加入热源模拟电子部件的生成热A Pera Global Company PERA China温度分布Flow directionConvection Boundary 1.5 W/m2 K

5、 298 K free stream temp.Convection boundary 1.5 W/m2 K 298 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)Flow directionA Pera Global Company PERA China替代的模拟策略

6、n可替代的策略为模拟壁面为一有厚度面 (Thin Wall model).n这时，不需对固体域划分网格A Pera Global Company PERA China对固体板划分网格 vs. 薄壁方法n对固体板划分网格 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Fluid zoneSolid zoneWall zone (with shadow)Wall thermal resistance directly accounted for in the Energy equation; Through-thickne

7、ss temperature distribution is calculated. Bidirectional heat conduction is calculated.A Pera Global Company PERA China对固体板划分网格 vs. 薄壁方法n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Fluid zoneWall zone (no shadow)Wall thermal resistance is calculated using artificial wall thickness and mater

8、ial type. Through-thickness temperature distribution is assumed to be linear. Conduction is only calculated in the wall-normal direction unless Shell Conduction is enabled.A Pera Global Company PERA China壳导热模型n壳导热模型处理板内部的 导热n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n固体属性必须是常数，不 能和温度相关Static Temperature (cell

9、value)Virtual conduction cellsA Pera Global Company PERA China自然对流n当流体加热后密度变化时，发生自然对流n流动是由密度差引起的重力驱动的n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A Pera Global Company PERA China自然对流 Boussinesq 模型nBoussinesq 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).n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

10、较小时适合. 不能和有化学反应的组分输运方程同时使用.n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A Pera Global Company PERA China自然对流的用户输入n在操作条件面板中定义重力加 速度 n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 0. 设置热膨胀系数 . 使用温度变化模型 (ideal gas, Aungier- Redlich-Kwong, polynomial): 设置操作密度或

11、让 FLUENT 从单元平均中计 算 0 A Pera Global Company PERA China辐射n当和对流及导热换热相比， 量级相当时，应该考虑辐射效应 ， Stefan-Boltzmann常数, 5.6710-8 W/(m2K4)n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n辐射强度, I(r,s),和方向及空间是相关的nFLUENT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

12、模型l Surface-to-Surface (S2S)A Pera Global Company PERA China选择辐射模型n指南： 计算代价 P1 计算代价小，有合理的精度 精度 DTRM 和 DOM 最精确. 光学厚度 DTRM/DOM 适合光学厚度小的模型 (L 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 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A Pera Global Company PERA China附录A Pera Global Compa

13、ny PERA China太阳辐射模型n太阳辐射模型 太阳辐射能量的射线追踪算法， 和其他辐射模型兼容 允许并行计算（但射线追踪算法 不能并行） 仅适用3D n特点 太阳方向向量 太阳强度（方向，散射） 使用理论最大或气象条件计算方 向和方向强度 瞬态情况 当方向向量是用太阳计算器算出 的化，瞬态计算中太阳方向矢量 会随时间改变 设置 “time steps per solar load update”A Pera Global Company PERA China能量方程源项 粘性耗散n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

14、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. 当 Brinkman 数接近或超过1时重要A Pera Global Company PERA China能量方程源项 组分扩散n多组分流中因为组分扩散引 起的能量源项： 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A Pera Global Company PERA China能量方程 源项n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n由于辐射引起的能量源项n相间能量源项: 包括连续相和离散相间的传热 DPM, 喷雾, 颗粒A Pera Global

15、Company PERA China薄壁中的温度分布n薄壁模型应用于法向导热，不生成实际的单元n壁面热边界条件应用于外层Thermal boundary condition on wallStatic temperature (cell value)Thin wall (no mesh)Wall temperature (outer surface)Wall temperature (inner surface)A Pera Global Company PERA China薄壁和两侧壁面n薄壁方法中，壁面厚度不需划分网格n在两个区域之间模拟薄层的材料n求解器施加热阻 x/kn边界条件施加在外层面上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)Interior wall (