fluent传热模型课件

传热模型IntroductoryFLUENTTraining传热模型IntroductoryFLUENTTraini大纲EnergyEquation能量方程WallBoundaryConditions壁面边界条件ConjugateHeatTransfer耦合传热Thinandtwo-sidedwalls薄面及两面壁面NaturalConvection自然对流RadiationModels辐射模型Reporting–Export报告－导出能量方程大纲EnergyEquation能量方程能量方程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/models/energy?能量方程Conduction传导SpeciesDiffusion物质扩散ViscousDissipation粘性耗散能量方程－粘性耗散项能量输运方程能量方程ConductionSpeciesVis能量方程－粘性耗散项由于耗散造成的能量源项viscousheating粘性剪切作用产生的热量当粘性剪切力大或者高速可压流动中较重要通常可以忽略在基于压力求解器中缺省不含在基于密度求解器中包含当Brinkman数接近或超过1时比较重要能量方程－物质扩散项能量方程－粘性耗散项由于耗散造成的能量源项能量方程－物质扩散能量方程－物质扩散项由于组分扩散造成的能量源项包括由于物质扩散造成的焓的输运效果默认在基于密度的求解器中包含在基于压力的求解器下可以关闭能量方程其它项能量方程－物质扩散项由于组分扩散造成的能量源项能量方程其它项能量方程其它项由化学反应引起的能量源项各种组分的生成焓各种组分的体积反应率辐射引起的能量源项相间能量源项包括连续相和离散相之间传热DPM，喷雾，粒子等固体区域的能量方程能量方程其它项由化学反应引起的能量源项固体区域的能量方程固体区域的能量方程计算固体区域的热传导能量方程可以使用各项异性的传导率（仅限于压力求解器）壁面边界条件固体区域的能量方程计算固体区域的热传导壁面边界条件壁面边界条件五种热量条件Radiation辐射外部物体传热给壁面给出发射率和混合组合对流和辐射边界条件壁面材料可以定义一维方向的厚度和导热计算耦合传热壁面边界条件五种热量条件耦合传热耦合传热能够计算固体热传导，并且与流体的对流换热耦合耦合边界条件对任意分隔两个单元体的壁面区域适用GridTemperaturecontoursVelocityvectorsExample--CoolingFlowoverFuelRods耦合传热举例耦合传热能够计算固体热传导，并且与流体的对流换热耦合GridCircuitboard(externallycooled)k=0.1W/m∙Kh=1.5W/m2∙KT∞=298KAirOutletAirinletV=0.5m/sT=298K耦合传热举例ElectronicChip(onehalfismodeled)k=1.0W/m∙KQ=2WattsTopwall(externallycooled)h=1.5W/m2∙KT∞=298KSymmetryPlanes举例－网格和边界条件Circuitboard(externallycool举例－网格和边界条件FlowdirectionBoard(solidzone)Chip(solidzone)2WattssourceConvectionBoundary1.5W/m2K298Kfreestreamtemp.Convectionboundary1.5W/m2K298KfreestreamtempAir(fluidzone)举例－问题设置举例－网格和边界条件FlowBoardChip(solid举例－问题设置温度分布（主视图和顶视图）举例－问题设置温度分布（主视图和顶视图）温度分布（主视图和顶视图）FlowdirectionBoard(solidzone)Chip(solidzone)2WattssourceConvectionBoundary1.5W/m2K298Kfreestreamtemp.Convectionboundary1.5W/m2K298KfreestreamtempAir(fluidzone)FrontViewTopViewFlowdirection耦合传热设置温度分布（主视图和顶视图）FlowBoardChip(so耦合传热设置另一种建模策略耦合传热设置另一种建模策略另一种建模策略电路版（board）可以定义为带厚度的壁面（wall）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另一种建模策略电路版（board）可以定义为带厚度的壁面（w壁面热传导的两种方式带网格壁面能量方程在代表壁面的固体区域上求解壁面厚度必须网格化这是最精确的方式，但是需要更多的网格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薄壁人工模拟壁厚（在壁的边界条件面板定义）只对内部壁面使用耦合的热边界条件FluidzoneSolidzoneWallzone(withshadow)Fluidzone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；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。Wallzone(noshadow)薄壁模式的温度定义壁面热传导的两种方式带网格壁面FluidzoneSolid薄壁模式的温度定义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壁面热边界条件在外层得到应用ThermalboundaryconditiononwallStatictemperature(cellvalue)Thinwall(nomesh)Walltemperature(outersurface)Walltemperature(innersurface)壁面传热的壳传导选项薄壁模式的温度定义薄壁模式只计算法向传导（没有平面传导），而壁面传热的壳传导选项壳传导选项用来激活平面内部的传导计算生成了附加的导热单元体，但不能显式也不能从UDF中存取传导区域的固体属性必须是常量，不能作为温度的函数Statictemperature(cellvalue)VirtualconductioncellsWallTemperature(innersurface)WallTemperature(outersurface)自然对流壁面传热的壳传导选项壳传导选项用来激活平面内部的传导计算St自然对流流体被加热，流体密度随着温度变化而变化重力作用在变化的密度上引起流动当考虑重力项时，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－Boussinesq模型自然对流流体被加热，流体密度随着温度变化而变化where自然自然对流－Boussinesq模型Boussinesq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：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 密度不变假设减弱了非线性当密度变化较小时适用不能和多组分传输或者反应流同时使用自然对流问题在封闭的计算域内对于定常求解器，Boussinesq模型必须使用对于非定常求解器，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自然对流－Boussinesq模型Boussinesq自然对流的用户输入设置定义重力加速度定义密度模型如果使用Boussinesq模型选择boussinesq

作为Density

方法并且指派固定的值

0设置热膨胀系数

设置工作温度T0如果使用独立温度函数模型

(e.g.，理想气体或多项式)指定工作密度允许FLUENT从单元体的平均值开始计算0

（默认，每一个迭代步）DefineOperatingConditions…DefineMaterials…辐射自然对流的用户输入设置定义重力加速度DefineOperat辐射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。要考虑辐射，就需要解辐射强度输运方程辐射强度,I(r,s),具有方向性和空间性辐射强度的输运机制Localabsorption局部吸收Out-scattering(scatteringawayfromthedirection)外散射Localemission局部发射In-scattering(scatteringintothedirection)内散射在FLUENT中可用的五个辐射模型DiscreteOrdinatesModel(DO)DiscreteTransferRadiationModel(DTRM)P1RadiationModelRosselandModelSurface-to-Surface(S2S)DOM模型辐射当辐射热DOM模型由辐射传输方程解出离散有限立体角σs优点保证了能量平衡使用更好的离散化能够增加精确度用途最为广泛的辐射模型散射，半透明介质，镜面，与波长相关的能量传输局限性对CPU要求较高Absorption吸收Emission发射Scattering散射DTRM辐射模型DOM模型由辐射传输方程解出离散有限立体角σsAbsorptDTRM辐射模型一定角度内的射线束作为一条射线来处理沿着每条射线使用光线跟踪技术来进行辐射强度的积分优点:模型相对简单.随着射线数量的增加而增加精确度应用于大范围的光学厚度局限性:假设所有的面都是漫反射的不包括散射效果处理大量的射线会对CPU要求很高P-1模型DTRM辐射模型一定角度内的射线束作为一条射线来处理P-1模P-1模型不考虑RTE方程的方向性，仅为入射辐射的扩散方程优点:辐射传输方程求解对CPU要求较低包括散射效果包括粒子、水滴和煤烟效果在光学厚度比较大的地方能够工作得比较好（比如燃烧室）局限性：假设所有表面是漫反射的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P-1模型不考虑RTE方程的方向性，仅为入射辐射的扩散方程SSurface-to-Surface辐射模型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S2S是基于视角的模型假设没有介质参与局限性面对面模型假设所有面是漫反射的假设灰体辐射当面的数量增加时内存需求会急剧上升Memoryrequirementscanbereducedbyusingclustersofsurfacefaces.使用面组能够降低内存要求不能与周期或者对称边界条件一起使用太阳能模型Surface-to-Surface辐射模型面对面的辐射模太阳能模型太阳能模型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并行求解器可以使用只用于三维参数定义太阳光矢量方向阳光强度（直射，散射）瞬态工况太阳能方向矢量会进行相应改变指定“每一次太阳能更新的时间步”选择辐射模型太阳能模型太阳能模型选择辐射模型选择辐射模型对于特定问题，一般情况下使用一个辐射模型计算花费－P1在较少计算量的情况下可以得到合理的精确度精确度–DTRM和DOM更精确光学厚度–DTRM/DOM对于薄光学介质更好(αL<<1)；P1对于厚光学介质更好。散射–P1和DOM适用于散射粒子效果–P1和DOM适用于气体和粒子之间的辐射交换局部热源–DTRM/DOM对于处理大量的射线问题更合适DefineModelsRadiation…报告－热流量选择辐射模型对于特定问题，一般情况下使用一个辐射模型Defi报告－热流量热流量报告推荐使用热平衡检查来确定解是否真的收敛导出热流数据可以导出壁面上的热流量数据到文件中（包括辐射）使用文本界面: file/export/custom-heat-flux文件格式:zone-namenfacesx_fy_fz_fAQT_wT_cHTC…报告－传热系数报告－热流量热流量报告zone-namenfaces报告－fluent传热模型课件传热模型IntroductoryFLUENTTraining传热模型IntroductoryFLUENTTraini大纲EnergyEquation能量方程WallBoundaryConditions壁面边界条件ConjugateHeatTransfer耦合传热Thinandtwo-sidedwalls薄面及两面壁面NaturalConvection自然对流RadiationModels辐射模型Reporting–Export报告－导出能量方程大纲EnergyEquation能量方程能量方程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/models/energy?能量方程Conduction传导SpeciesDiffusion物质扩散ViscousDissipation粘性耗散能量方程－粘性耗散项能量输运方程能量方程ConductionSpeciesVis能量方程－粘性耗散项由于耗散造成的能量源项viscousheating粘性剪切作用产生的热量当粘性剪切力大或者高速可压流动中较重要通常可以忽略在基于压力求解器中缺省不含在基于密度求解器中包含当Brinkman数接近或超过1时比较重要能量方程－物质扩散项能量方程－粘性耗散项由于耗散造成的能量源项能量方程－物质扩散能量方程－物质扩散项由于组分扩散造成的能量源项包括由于物质扩散造成的焓的输运效果默认在基于密度的求解器中包含在基于压力的求解器下可以关闭能量方程其它项能量方程－物质扩散项由于组分扩散造成的能量源项能量方程其它项能量方程其它项由化学反应引起的能量源项各种组分的生成焓各种组分的体积反应率辐射引起的能量源项相间能量源项包括连续相和离散相之间传热DPM，喷雾，粒子等固体区域的能量方程能量方程其它项由化学反应引起的能量源项固体区域的能量方程固体区域的能量方程计算固体区域的热传导能量方程可以使用各项异性的传导率（仅限于压力求解器）壁面边界条件固体区域的能量方程计算固体区域的热传导壁面边界条件壁面边界条件五种热量条件Radiation辐射外部物体传热给壁面给出发射率和混合组合对流和辐射边界条件壁面材料可以定义一维方向的厚度和导热计算耦合传热壁面边界条件五种热量条件耦合传热耦合传热能够计算固体热传导，并且与流体的对流换热耦合耦合边界条件对任意分隔两个单元体的壁面区域适用GridTemperaturecontoursVelocityvectorsExample--CoolingFlowoverFuelRods耦合传热举例耦合传热能够计算固体热传导，并且与流体的对流换热耦合GridCircuitboard(externallycooled)k=0.1W/m∙Kh=1.5W/m2∙KT∞=298KAirOutletAirinletV=0.5m/sT=298K耦合传热举例ElectronicChip(onehalfismodeled)k=1.0W/m∙KQ=2WattsTopwall(externallycooled)h=1.5W/m2∙KT∞=298KSymmetryPlanes举例－网格和边界条件Circuitboard(externallycool举例－网格和边界条件FlowdirectionBoard(solidzone)Chip(solidzone)2WattssourceConvectionBoundary1.5W/m2K298Kfreestreamtemp.Convectionboundary1.5W/m2K298KfreestreamtempAir(fluidzone)举例－问题设置举例－网格和边界条件FlowBoardChip(solid举例－问题设置温度分布（主视图和顶视图）举例－问题设置温度分布（主视图和顶视图）温度分布（主视图和顶视图）FlowdirectionBoard(solidzone)Chip(solidzone)2WattssourceConvectionBoundary1.5W/m2K298Kfreestreamtemp.Convectionboundary1.5W/m2K298KfreestreamtempAir(fluidzone)FrontViewTopViewFlowdirection耦合传热设置温度分布（主视图和顶视图）FlowBoardChip(so耦合传热设置另一种建模策略耦合传热设置另一种建模策略另一种建模策略电路版（board）可以定义为带厚度的壁面（wall）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另一种建模策略电路版（board）可以定义为带厚度的壁面（w壁面热传导的两种方式带网格壁面能量方程在代表壁面的固体区域上求解壁面厚度必须网格化这是最精确的方式，但是需要更多的网格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薄壁人工模拟壁厚（在壁的边界条件面板定义）只对内部壁面使用耦合的热边界条件FluidzoneSolidzoneWallzone(withshadow)Fluidzone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；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。Wallzone(noshadow)薄壁模式的温度定义壁面热传导的两种方式带网格壁面FluidzoneSolid薄壁模式的温度定义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壁面热边界条件在外层得到应用ThermalboundaryconditiononwallStatictemperature(cellvalue)Thinwall(nomesh)Walltemperature(outersurface)Walltemperature(innersurface)壁面传热的壳传导选项薄壁模式的温度定义薄壁模式只计算法向传导（没有平面传导），而壁面传热的壳传导选项壳传导选项用来激活平面内部的传导计算生成了附加的导热单元体，但不能显式也不能从UDF中存取传导区域的固体属性必须是常量，不能作为温度的函数Statictemperature(cellvalue)VirtualconductioncellsWallTemperature(innersurface)WallTemperature(outersurface)自然对流壁面传热的壳传导选项壳传导选项用来激活平面内部的传导计算St自然对流流体被加热，流体密度随着温度变化而变化重力作用在变化的密度上引起流动当考虑重力项时，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－Boussinesq模型自然对流流体被加热，流体密度随着温度变化而变化where自然自然对流－Boussinesq模型Boussinesq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：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 密度不变假设减弱了非线性当密度变化较小时适用不能和多组分传输或者反应流同时使用自然对流问题在封闭的计算域内对于定常求解器，Boussinesq模型必须使用对于非定常求解器，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自然对流－Boussinesq模型Boussinesq自然对流的用户输入设置定义重力加速度定义密度模型如果使用Boussinesq模型选择boussinesq

作为Density

方法并且指派固定的值

0设置热膨胀系数

设置工作温度T0如果使用独立温度函数模型

(e.g.，理想气体或多项式)指定工作密度允许FLUENT从单元体的平均值开始计算0

（默认，每一个迭代步）DefineOperatingConditions…DefineMaterials…辐射自然对流的用户输入设置定义重力加速度DefineOperat辐射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。要考虑辐射，就需要解辐射强度输运方程辐射强度,I(r,s),具有方向性和空间性辐射强度的输运机制Localabsorption局部吸收Out-scattering(scatteringawayfromthedirection)外散射Localemission局部发射In-scattering(scatteringintothedirection)内散射在FLUENT中可用的五个辐射模型DiscreteOrdinatesModel(DO)DiscreteTransferRadiationModel(DTRM)P1RadiationModelRosselandModelSurface-to-Surface(S2S)DOM模型辐射当辐射热DOM模型由辐射传输方程解出离散有限立体角σs优点保证了能量平衡使用更好的离散化能够增加精确度用途最为广泛的辐射模型散射，半透明介质，镜面，与波长相关的能量传输局限性对CPU要求较高Absorption吸收Emission发射Scattering散射DTRM辐射模型DOM模型由辐射传输方程解出离散有限立体角σsAbsorptDTRM辐射模型一定角度内的射线束作为一条射线来处理沿着每条射线使用光线跟踪技术来进行辐射强度的积分优点:模型相对简单.随着射线数量的增加而增加精确度应用于大范围的光学厚度局限性:假设所有的面都是漫反射的不包括散射效果处理大量的射线会对CPU要求很高P-1模型DTRM辐射模型一定角度内的射线束作为一条射线来处理P-1模P-1模型不考虑