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1、 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. Proprietary传热模型传热模型传热模型传热模型Introductory FLUENT TrainingIntroductory FLUENT Training7-2 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008大纲uEnergy Equation 能量方程uWall Boundary Conditions 壁面边界条件uConjugate He
2、at Transfer 耦合传热uThin and two-sided walls 薄面及两面壁面uNatural Convection 自然对流uRadiation Models 辐射模型uReporting Export 报告导出能量方程7-3 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008u能量输运方程每单位质量的能量E定义为：能量E中的压力和动能项在基于密度的求解器中会自动加入，在基于压力的求解器中会忽略，可以通过命令行打开Define/mod
3、els/energy?能量方程Conduction传导SpeciesDiffusion物质扩散ViscousDissipation粘性耗散能量方程粘性耗散项7-4 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008能量方程粘性耗散项u由于耗散造成的能量源项lviscous heating粘性剪切作用产生的热量l当粘性剪切力大或者高速可压流动中较重要l通常可以忽略n在基于压力求解器中缺省不含n在基于密度求解器中包含l当Brinkman数接近或超过1时比较重要
4、能量方程物质扩散项7-5 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008能量方程物质扩散项u由于组分扩散造成的能量源项l包括由于物质扩散造成的焓的输运效果l默认在基于密度的求解器中包含l在基于压力的求解器下可以关闭能量方程其它项7-6 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008能量方程其它项u由化学反应引起
5、的能量源项l各种组分的生成焓l各种组分的体积反应率u辐射引起的能量源项u相间能量源项l包括连续相和离散相之间传热lDPM，喷雾，粒子等固体区域的能量方程7-7 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008固体区域的能量方程u计算固体区域的热传导u能量方程u可以使用各项异性的传导率（仅限于压力求解器）壁面边界条件7-8 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUE
6、NT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008壁面边界条件u五种热量条件u Radiation辐射l外部物体传热给壁面l给出发射率和u混合l组合对流和辐射边界条件u壁面材料可以定义一维方向的厚度和导热计算耦合传热7-9 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008耦合传热u能够计算固体热传导，并且与流体的对流换热耦合u耦合边界条件对任意分隔两个单元体的壁面区域适用GridTemperature contoursVelocity vector
7、sExample - Cooling Flow over Fuel Rods耦合传热举例7-10 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008Circuit board (externally cooled)k = 0.1 W/mKh = 1.5 W/m2KT = 298 KAir OutletAir inletV = 0.5 m/sT = 298 K耦合传热举例Electronic Chip(one half is modeled)k = 1.0
8、W/mKQ = 2 WattsTop wall(externally cooled)h = 1.5 W/m2KT = 298 KSymmetry Planes举例网格和边界条件7-11 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008举例网格和边界条件FlowdirectionBoard(solid zone)Chip (solid zone)2 Watts sourceConvection Boundary1.5 W/m2 K298 K free st
9、ream temp.Convection boundary1.5 W/m2 K298 K free stream tempAir (fluid zone)举例问题设置7-12 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008举例问题设置温度分布（主视图和顶视图）7-13 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 20
10、08温度分布（主视图和顶视图）FlowdirectionBoard(solid zone)Chip (solid zone)2 Watts sourceConvection Boundary1.5 W/m2 K298 K free stream temp.Convection boundary1.5 W/m2 K298 K free stream tempAir (fluid zone)Front ViewTop ViewFlowdirection耦合传热设置7-14 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory
11、FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008耦合传热设置另一种建模策略7-15 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008另一种建模策略u电路版（board）可以定义为带厚度的壁面（wall）u在这种情况下，不需要给下层的固体区域画网格壁面热传导的两种方式7-16 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v
12、6.3 Aug 2008壁面热传导的两种方式u带网格壁面l能量方程在代表壁面的固体区域上求解l壁面厚度必须网格化l这是最精确的方式，但是需要更多的网格l因为在壁的两个面上都有单元体所以经常使用耦合的热边界条件u薄壁l人工模拟壁厚（在壁的边界条件面板定义）l只对内部壁面使用耦合的热边界条件Fluid zoneSolid zoneWall zone(with shadow)Fluid zone壁面热阻抗在能量方程中直接得到；壁厚壁面热阻抗在能量方程中直接得到；壁厚上的温度分布通过计算得到；上的温度分布通过计算得到；双向传热计算。双向传热计算。壁面热阻抗使用人工壁厚和材料类型计算；壁面热阻抗使用人工
13、壁厚和材料类型计算；壁厚上的温度分布假设是线性的；壁厚上的温度分布假设是线性的；传导只在壁面法向方向计算。传导只在壁面法向方向计算。Wall zone(no shadow)薄壁模式的温度定义7-17 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008薄壁模式的温度定义u薄壁模式只计算法向传导（没有平面传导），而且没有生成实际上的单元体u壁面热边界条件在外层得到应用 Thermal boundary condition on wallStatic tempe
14、rature(cell value)Thin wall(no mesh)Wall temperature(outer surface)Wall temperature(inner surface)壁面传热的壳传导选项7-18 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008壁面传热的壳传导选项u壳传导选项用来激活平面内部的传导计算u生成了附加的导热单元体，但不能显式也不能从UDF中存取u传导区域的固体属性必须是常量，不能作为温度的函数Static tem
15、perature (cell value)Virtual conduction cellsWall Temperature (inner surface)Wall Temperature (outer surface)自然对流7-19 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008自然对流u流体被加热，流体密度随着温度变化而变化u重力作用在变化的密度上引起流动u当考虑重力项时，动量方程中的压力梯度和体积力项可以表达为：where自然对流 Boussin
16、esq 模型7-20 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008自然对流 Boussinesq 模型uBoussinesq 模型假设只有动量方程的浮力项中密度是随温度变化的，此之外流体密度相同的，我们有：u对许多自然对流流动来说该模型提供了比使用流动密度作为温度函数收敛更快的方法l密度不变假设减弱了非线性l当密度变化较小时适用l不能和多组分传输或者反应流同时使用u自然对流问题在封闭的计算域内l对于定常求解器， Boussinesq模型必须使用l对于
17、非定常求解器，可以使用Boussinesq模型或理想气体状态方程自然对流的用户输入设置7-21 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008自然对流的用户输入设置u定义重力加速度u定义密度模型l如果使用Boussinesq 模型n选择 boussinesq 作为 Density 方法 并且指派固定的值 0n设置热膨胀系数 n设置工作温度 T0l如果使用独立温度函数模型(e.g.， 理想气体 或 多项式)n指定工作密度n允许FLUENT从单元体的平均值
18、开始计算0 （默认，每一个迭代步）DefineOperating ConditionsDefineMaterials辐射7-22 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008辐射u当辐射热 与对流热和传导热为一个量级或者较大时需要考虑辐射。u要考虑辐射，就需要解辐射强度输运方程u辐射强度, I(r,s), 具有方向性和空间性u辐射强度的输运机制lLocal absorption 局部吸收lOut-scattering (scattering away
19、 from the direction) 外散射lLocal emission 局部发射lIn-scattering (scattering into the direction) 内散射u在FLUENT中可用的五个辐射模型lDiscrete Ordinates Model (DO)lDiscrete Transfer Radiation Model (DTRM)lP1 Radiation ModellRosseland ModellSurface-to-Surface (S2S)DOM模型7-23 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc
20、. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008DOM模型u由辐射传输方程解出离散有限立体角su优点l保证了能量平衡n使用更好的离散化能够增加精确度l用途最为广泛的辐射模型n散射，半透明介质，镜面，与波长相关的能量传输u局限性l对CPU要求较高Absorption吸收Emission发射Scattering散射DTRM辐射模型7-24 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008DTRM辐射模型u一定角
21、度内的射线束作为一条射线来处理u沿着每条射线使用光线跟踪技术来进行辐射强度的积分u优点:l模型相对简单.l随着射线数量的增加而增加精确度l应用于大范围的光学厚度u局限性:l假设所有的面都是漫反射的 l不包括散射效果l处理大量的射线会对CPU要求很高P-1模型7-25 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008P-1模型u不考虑RTE方程的方向性，仅为入射辐射的扩散方程u优点:l辐射传输方程求解对CPU要求较低l包括散射效果n包括粒子、水滴和煤烟效果
22、l在光学厚度比较大的地方能够工作得比较好（比如燃烧室）u局限性：l假设所有表面是漫反射的l如果光学厚度小的话可能导致精确度下降（依赖于几何的复杂性）Surface-to-Surface 辐射模型7-26 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008Surface-to-Surface 辐射模型u面对面的辐射模型能够用于没有介质参与的状态下的辐射l例如，太空船热损耗系统、太阳能收集系统、辐射空间加热器、以及汽车冷却器lS2S 是基于视角的模型l假设没有
23、介质参与u局限性l面对面模型假设所有面是漫反射的l假设灰体辐射l当面的数量增加时内存需求会急剧上升nMemory requirements can be reduced by using clusters of surface faces.使用面组能够降低内存要求l不能与周期或者对称边界条件一起使用太阳能模型7-27 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008太阳能模型u太阳能模型l对太阳能辐射传递模型适用的光线跟踪法则，和所有辐射模型都兼容l并行
24、求解器可以使用l只用于三维u参数定义l太阳光矢量方向l阳光强度（直射，散射）l瞬态工况n太阳能方向矢量会进行相应改变n指定“每一次太阳能更新的时间步”选择辐射模型7-28 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008选择辐射模型u对于特定问题，一般情况下使用一个辐射模型l计算花费P1在较少计算量的情况下可以得到合理的精确度l精确度 DTRM 和 DOM 更精确l光学厚度 DTRM/DOM 对于薄光学介质更好 (L 1)；P1 对于厚光学介质更好。l散
25、射 P1 和 DOM 适用于散射l粒子效果 P1 和 DOM 适用于气体和粒子之间的辐射交换l局部热源 DTRM/DOM 对于处理大量的射线问题更合适DefineModelsRadiation报告热流量7-29 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008报告热流量u热流量报告l推荐使用热平衡检查来确定 解是否真的收敛u导出热流数据l可以导出壁面上的热流量数据 到文件中（包括辐射）l使用文本界面:file/export/custom-heat-flu
26、x l文件格式: zone-name nfacesx_f y_f z_f A Q T_w T_c HTC报告传热系数7-30 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008报告传热系数u基于壁面的传热系数l只在湍流流动且能量方程被激活的状态下可用小结7-31 2006 ANSYS, Inc. All rights reserved.ANSYS, Inc. PIntroductory FLUENT NotesFLUENT v6.3 Aug 2008小结u相关概念可以在帮助中找到l周期流动和传热 (Tutorial #2)l辐射和自然对流 (Tutorial #5)l凝固 (Tutorial #20)l许多其它的u其它学习资源l由FLUENT提供的传热方面的高级培训课程l公司网站， n所有指南n用户文件
