第六节传热模型

优选第六节传热模型当前第1页\共有30页\编于星期三\9点能量方程能量输运方程: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?ConductionSpeciesDiffusionViscousDissipationConductionUnsteadyEnthalpy

Source/Sink当前第2页\共有30页\编于星期三\9点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）当前第3页\共有30页\编于星期三\9点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当前第4页\共有30页\编于星期三\9点共轭传热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CoolantFlowPastHeatedRodsGridVelocityVectorsTemperatureContours当前第5页\共有30页\编于星期三\9点共轭传热例子Circuitboard(externallycooled)k=0.1W/m∙Kh=1.5W/m2∙KT∞=298KAirinletV=0.5m/sT=298KElectronicComponent(onehalfismodeled)k=1.0W/m∙KHeatgenerationrateof2watts(eachcomponent)Topwall(externallycooled)h=1.5W/m2∙KT∞=298KSymmetry

PlanesAiroutlet当前第6页\共有30页\编于星期三\9点问题设置-热源在固体域加入热源模拟电子部件的生成热当前第7页\共有30页\编于星期三\9点温度分布FlowdirectionConvectionBoundary1.5W/m2K298Kfreestreamtemp.Convectionboundary1.5W/m2K298KfreestreamtempFrontViewTopView

(imagemirroredaboutsymmetryplane)Elect.Component

(solidzone)2WattssourceBoard(solidzone)Air(fluidzone)298426410394378362346330314Temp.(ºF)Flowdirection当前第8页\共有30页\编于星期三\9点替代的模拟策略可替代的策略为模拟壁面为一有厚度面(ThinWallmodel).这时，不需对固体域划分网格当前第9页\共有30页\编于星期三\9点对固体板划分网格vs.薄壁方法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FluidzoneSolidzoneWallzone(withshadow)WallthermalresistancedirectlyaccountedforintheEnergyequation;Through-thicknesstemperaturedistributioniscalculated.Bidirectionalheatconductioniscalculated.当前第10页\共有30页\编于星期三\9点对固体板划分网格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FluidzoneWallzone(noshadow)Wallthermalresistanceiscalculatedusingartificialwallthicknessandmaterialtype.Through-thicknesstemperaturedistributionisassumedtobelinear.Conductionisonlycalculatedinthewall-normaldirectionunlessShellConductionisenabled.当前第11页\共有30页\编于星期三\9点壳导热模型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获得固体属性必须是常数，不能和温度相关StaticTemperature(cellvalue)Virtualconductioncells当前第12页\共有30页\编于星期三\9点自然对流当流体加热后密度变化时，发生自然对流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：:

其中当前第13页\共有30页\编于星期三\9点自然对流–Boussinesq模型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).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当前第14页\共有30页\编于星期三\9点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(idealgas,Aungier-

Redlich-Kwong,polynomial):设置操作密度或让FLUENT从单元平均中计算ρ0

当前第15页\共有30页\编于星期三\9点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,5.67×10-8W/(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lSurface-to-Surface(S2S)当前第16页\共有30页\编于星期三\9点选择辐射模型指南：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(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/坐标计算当前第17页\共有30页\编于星期三\9点附录当前第18页\共有30页\编于星期三\9点太阳辐射模型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“timestepspersolarloadupdate”当前第19页\共有30页\编于星期三\9点能量方程源项–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.当Brinkman数接近或超过1时重要当前第20页\共有30页\编于星期三\9点能量方程源项–组分扩散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当前第21页\共有30页\编于星期三\9点能量方程–源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…当前第22页\共有30页\编于星期三\9点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ThermalboundaryconditiononwallStatictemperature(cellvalue)Thinwall(nomesh)Walltemperature(outersurface)Walltemperature(innersurface)当前第23页\共有30页\编于星期三\9点薄壁和两侧壁面薄壁方法中，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边界条件施加在外层面上ThermalboundaryconditionsaresuppliedontheinnersurfaceofathinwallExteriorwall(user-specifiedthickness)FluidorsolidcellsOutersurface(calculated)Innersurface(thermalboundaryconditionspecifiedhere)Interiorwall(user-specifiedthickness)Interiorwallshadow(user-specified

thickness)Thermalboundaryconditionsaresuppliedontheinnersurfacesofuncoupledwall/shadowpairsFluidorsolidcellsFluidorsolidcells当前第24页\共有30页\编于星期三\9点离散坐标模型AbsorptionEmissionScattering在有限的离散立体角度σs上求解辐射输运方程: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过多当前第25页\共有30页\编于星期三\9点离散传输辐射模型(DTRM)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.当前第26页\共有30页\编于星期三\9点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颗粒、液滴和烟灰的影响对光学厚度大的应用（如燃烧）较合理局限性: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，预测的辐射热过高当前第27页\共有30页\编于星期三\9点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当前第28页\共有30页\编于星期三\9点输出–ANSYS输出扩展名为.rfl的

ANSYS结果文件，读入到ANSYS的顺序为：

在ANSYS中，到“GeneralPostprocData”及“FileOptions”，读入FLUENT生成的文件到“ResultsSummary”，点击第一行，能看到ANSYS_56_OUTPUT窗口显示的几何信息在ANSYS输入窗口，键入下面的命令: SET,FIRST /PREP7 ET,1