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1、第六节：传热模型,1,概要,能量方程 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,2,章节课件,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?,Conduction,Species Diffusion,Viscous Dissipation,Conduction,Unsteady,Enthalpy Source/Sink,3,章节课件,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
2、体域的各向异性导热系数（压力基求解器）,4,章节课件,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,5,章节课件,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,Coolant Flow Past Heated Rods,Grid,Velocity Vectors,Temperature Contours,6,章节课件,共轭传热例子,Circuit board (external
3、ly cooled) k = 0.1 W/mK h = 1.5 W/m2K T = 298 K,Air inlet V = 0.5 m/s T = 298 K,Electronic Component (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 K,SymmetryPlanes,Air outlet,7,章节课件,问题设置-热源,在固体域加入热源模拟电子部件的生成热,8,
4、章节课件,温度分布,Front View,Top View(image mirrored about symmetry plane),9,章节课件,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,10,章节课件,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,Fluid zone,Solid zone,Wall zone (with shadow),Wall thermal resistance
5、directly accounted for in the Energy equation; Through-thickness temperature distribution is calculated. Bidirectional heat conduction is calculated.,11,章节课件,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 thermal resistance is calculated using artificial wall thickness
6、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.,12,章节课件,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,13,章节课件,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
7、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,14,章节课件,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,15,章节课件,自然对流的用户输入,在
8、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 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 让 FLUENT 从单元平均中计算 0,16,章节课件,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 ， Stefan-Boltzmann常数, 5.6710-8 W/(m2K4) 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
9、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),17,章节课件,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 (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 P
10、1 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,18,章节课件,附录,19,章节课件,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 “time steps per solar load update”,20,章节课件,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
11、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,21,章节课件,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,22,章节课件,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,23,章节课件,薄壁中的温度分布,薄壁模型应用于法向导热，不生成实
12、际的单元 壁面热边界条件应用于外层,Thermal boundary condition on wall,Static temperature (cell value),Thin wall (no mesh),Wall temperature (outer surface),Wall temperature (inner surface),24,章节课件,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,Thermal boundary conditions are supplied on the inner sur
13、face of a thin wall,Exterior wall (user-specified thickness),Fluid or solid cells,Outer surface (calculated),Inner surface (thermal boundary condition specified here),Interior wall (user-specified thickness),Interior wall shadow (user-specified thickness),Thermal boundary conditions are supplied on
14、the inner surfaces of uncoupled wall/shadow pairs,Fluid or solid cells,Fluid or solid cells,25,章节课件,离散坐标模型,Scattering,在有限的离散立体角度s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,26,章节课件,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
15、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.,27,章节课件,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,28,章节课件,Surface-to-Surface (S2S) 辐射模型,S2S辐射模型
16、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,29,章节课件,输出 ANSYS,输出扩展名为 .rfl的 ANSYS 结果文件，读入到ANSYS的顺序为： 在 ANSYS中，到“ General Postproc Data”及“ File Options”，读入FLUENT生成的文件 到“ Results
17、 Summary ”，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,1,142 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. 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,30,章节课件,输出 ANSYS,通过 GUI 或 TUI输出ANSYS 文件 /file/export/ansys file-name 文件包括坐标、连
18、接关系及下面 的标量： Density, viscosity X, Y, Z velocity, pressure, temperature Turbulence kinetic energy, turbulence dissipation rate, turbulent viscosity, effective viscosity Thermal conductivity (laminar, turbulent, effective) Total pressure and temperature, pressure coefficient, Mach number, stream funct
19、ion, heat flux, heat transfer coefficient, wall shear stress, specific heat,31,章节课件,输出 ABAQUS,输出文件（ file.aba）包括坐标、连接关系、选择的载荷、域组、速度、选择的标量等 只对三维模型有效，并且是固体域或固体域的表面 流体域的传热系数不可写出 下面命令对做流固交界面分析有用 file/export/abaqus file-name list-of-surfaces () yes|no list-of-scalars q,32,章节课件,输出其他格式,NASTRAN/PATRAN 对于 ABA
20、QUS, NASTRAN, 和 PATRAN, 选择要写出的载荷 (Force, Temperature, and/or Heat Flux) 来分析结构应力 (fluid pressure or thermal) 如果没有选择面的话，载荷只在边界面上写出,33,章节课件,报告 Heat Flux,Heat flux 报告: 建议检查热平衡以确 保计算收敛 输出 Heat Flux 数据: 可以输出壁面的热通量数据 （包括辐射） file/export/custom-heat-flux 文件格式:,zone-name nfaces x_f y_f z_f A Q T_w T_c HTC ,34,章节课件,报告 传热系数,基于壁面函数的传热系数 其中 cP 为比热, kP 是点P处湍动能, T* 无量纲温度: 只有湍流并且能量方程开关打开时有用,35,章节课件,