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1、专业整理Flue nt辐射传热模型理论以及相关设置目录1概述22基础理论22.1专业术语解释： 22.2FLUENT畐射模型介绍：32.3辐射模型适用范围总结 43Flue nt实际案例操作53.1Casel-测试 external emissivity使用DO模型计算-2D模型 53.2Case2-测试 internal emissivity-使用DO模型计算-2D模型 63.3仿真结论10WORD完美格式1概述在传热的仿真中，有时候会不可避免的涉及到辐射传热，而我们对Flue nt中辐射模型的了解甚少，很难得到可靠的计算结果。因此，一直以来，Flue nt中的带辐射的传热仿真是我们的一个难
2、点，本专题重点来学习辐射模型的理论，让我们对辐射计算模型有一个深入的了解，以帮助我们攻克这个仿真难点。2基础理论2.1 专业术语解释：在Flue nt中开启辐射模型时，流体介质以及固体壁面会出现一些专业的参数需要用户来设置。在Flue nt help中介绍辐射模型时会经常提到一些专业术语。对这些专业参数以及术语，我们来一一解释：1、 Optical thickness （光学深度，无量纲量）：介质层不透明性的量度。即介质吸收辐射的能力的 量度，等于入射辐射强度与出射辐射强度之比。设入射到吸收物质层的入射辐射强度为I ，透射的辐射强度为e，则T = I/e ，其中T为光学深度。按照此定义，那介质
3、完全透明，对辐射不吸收、也不散射，透射的辐射强度e=入射辐射强度I，即光学深度为T=1，介质不参与辐射。一摘自百度百科而FLUENT中T=a L,其中L为介质的特征长度，a为辐射削弱系数（可理解为介质因吸收和散射引 起的光强削弱系数）。如果T=0,说明介质不参与辐射，和百度百科中的定义有出入。但是所表达的意思 是接近的，一个是前后辐射量的比值；一个是变化量和入射辐射量的比值（根据Flue nt help里的解释，经过介质的辐射损失量=I*T ,个人理解，按照此定义，T不可能大于1啊，矛盾。/ Theory Guide :0 / 5. Heat Transfer / 5.3. Modeling
4、Radiation / 5.3.2. Radiative Transfer Equation）。该问题的解释为：其实一点也不矛盾，如果Optical thick ness =1，就说明辐射在经过一定特征长度L的介质后被完全吸收。 如果1，就说明辐射根本穿透不了特征长度L的介质，而被早早吸收完了。打个比方，Optical thickness=10，说明辐射在经过 L/10距离后已经被吸收（或散射）完。其中 a = a A+a S；2、 Absorption Coefficient（a A吸收系数，单位1/m，见图2-1 ）:因为介质吸收而导致的辐射强度在经过每单位长度介质后改变的量。空气作为流体
5、介质时，一般不吸收热辐射，该系数可近视设为0。而当气体中水蒸气和CO2含量较高时，那对辐射的系数就不能忽略了。3、 Scatteri ngCoefficie nt （a S散射系数，单位1/m）:因为介质散射而导致的辐射强度在经过每单位长度介质后改变的量。空气作为流体介质时，一般情况下，该系数可近视设为0。对于含颗粒物的流体，散射作用不容忽视。4、Refractive Index（折射系数，无量纲量）：介质中的光速和真空中的光速之比。如是空气，可近视设为1 （默认值）。一般对于具有方向性的辐射源问题，比如LED发光或激光等光学传热问题，辐射在经过水以及玻璃等透明介质时，需要设置该参数。一般情况
6、，热辐射在计算域中是往各个方向辐射的，各项同性，没有方向性，该参数设为1即可。图2-1介质的辐射相关参数设置5、 Diffuse Reflection（漫反射）：辐射到不透明固体表面的能量，一部分被固体吸收，另一部分 被反射，其中反射分为镜面反射和漫反射。6、 Specular Reflection（镜面反射）：7、 Internal Emissivity（内部发射率）：处于计算域中的couple wall ， solid 和 fluid zone 或者solid 和solid zone或者fluid 和fluid zone之间的辐射率。8、 External Emissivity（外部发射率
7、）：处于计算边界上 wall，外部环境和 wall之间的辐射率。对于基于灰体辐射假设的计算，灰体辐射率不随波长变化，灰体辐射率=吸收率；9、 Theta Division and Phi Division:设置为2，可作为初步估算；为了得到更为准确的结果， 最少设置成3，甚至为5，Fluent13.0 默认值为4。10、 Theta Pixels and Phi Pixels:对于灰体辐射，默认值 1*1足够了；但是对于涉及到对称面、周期性边界、镜面反射、半透明边界时，需设置为3*3 ；2.2 FLUEN辐射模型介绍：Flue nt中有五种辐射计算模型，各个模型的使用范围以及其优缺点分别为：1
8、、DTRM模型：优势：模型相对简单，可以通过增加射线数量来提高计算精度，适用于光学深度范围非常广的各种辐射问题。限制：1）模型假设所有面都是漫反射，意味着辐射的反射相对于入射角是各项同性的，无镜面反射。2 ）忽略散射作用。3 ）灰体辐射假设。4 ）使用大数目射线求解问题，非常耗费CPU资源。5 ）和非一致网格（non-con formal in terface）、滑移网格（slidi ng mesh ）不能一起使用,不能用并行计算。2、P1模型；:优势：相比DTRM莫型，P1模型耗费自己资源更少，并且考虑了散射作用；对于光学深度较大的燃烧模型，P1模型更稳定。P1模型使用曲线中uobiao比较
9、容易处理复杂几何的辐射问题。限制：1 ）假设所有面都是漫反射，和DTRM相同。2 ）使用与灰体和非灰体辐射问题。3 ）如果光学深度很小时，模型计算精度取决于几何的复杂性。4 ）对于局部热源以及散热片问题，该模型会夸大辐射传热量。3、Rossland 模型：优势：相对P1模型。它不求解额外的关于入射辐射的传输方程，因此比P1模型耗资源要少。限制：只能用于光学深度比较大的情况，推荐用于光学深度大于3的情况；不能用于密度求解器，只能用于压力求解器。4、 Surface-to-Surface（ S2S）辐射模型；优势：非常适用于封闭空间中没有介质的辐射问题，（如航天器、太阳能搜集系统、辐射供热装置等）
10、限制：1）所有面都是漫反射。2 ）灰体辐射假设。3 ）在表面增加时，耗费计算资源大幅增加。4 ）不能用于介质参与的辐射问题（participating radiation）。5 ）不能和周期性边界、对称边界、非一致网格交界面、网格自适应一起使用。5、DO模型优势：适用于所有光学深度范围的辐射问题；既能求解S2S的无介质封闭区域问题，也能求解介质参与的辐射问题。适用于灰体、非灰体、漫反射、镜面反射以及半透明介质的辐射。2.3辐射模型适用范围总结DTRM和 DO模型几乎可适用于所有光学深度问题，相比之下，DO模型的范围更广。光学深度1，可用P1和Rossland模型；而3时，Rossland模型比
11、较合适。对于光学深度1的问题，只能用 DTRM和 DO模型。S2S适用于光学深度为 0的问题，即流体介质不参与辐射的问题。总结：一般关于空气对流辐射的问题，属于光学深度=0的问题，因此可使用 DTRM S2S DO模型,在ICEPAK解决辐射问题就有这三个模型的选项(在 13.0版本中才加入 DTRM和DO模型)。3Flue nt实际案例操作从简单的2D case入手，在实际操作中真正搞清楚 emissivity 和absorption coefficient的含义，以及Flue nt中solid 和fluid zo ne之间的辐射传热机理。3.1 Case1-测试 external emis
12、sivity 使用 DOS型计算-2D模型，圆形为solid，恒温300K2D模型，直径 2m, external radiation temperature 400KJU-* V nuuiKTts!90 HOC 诃內3M4rtO2 3J2IKI.I4CE J图3-1温度场分布图图3-2辐射换热设置设置external emissivity 1，计算出外界对 wall辐射传热功率为 6230.3188W,根据理论公式计算:Pra=5.67e-8*1*3.14*2*(400A4-300A4 ) =6231W仿真结果和理论计算非常接近。将 external emissivity 设成 0.5，计算
13、出辐射传热功率为3114.6W。改变 internal emissivity的值，计算值不变。从以上仿真结果可知：1、2.1小结的第八点external emissivity的解释是正确的，辐射传热基于灰体假设，辐射系数等于吸收系数。使用D（模型计算-2D模型3.2 Case2-测试 internal emissivity-1) Solid (Al) -solid (Steel ) -solid(Al) -case图 3-3 从里到外 Solid(Al ) -solid(Steel ) -solid(Al)i ) Internal solid Fix temperature=400C, ext
14、er nal radiati on temperature=300,externalemissivtiy=1 ； internal emissivtiy=1；%忖5汕ij力伽J用前&汕津用饨E kl畑 Total Hear Trarfifef Rjec 二中上lIMCT HtfdTYFiittt RJleA -1冷 1rtet-rentVn PTtih 尺切nrt 斥tajnctryljv thWjkliz5EM.S?6S531ZE.加 2032f吕 FLUE卜卩 i 3 0 (2 d. cbns. Hf)ii ) internal emissivtiy=0图3-4温度分布以及换热量J.OE
15、e+UJ-anr-i+ccE+CJM 日 E i-HJa.aj-s+a.1J9I w+d）*2曲Jj; t 心鼻冲r+W： 7- r rr：2.atJL b*0l2 JAP-t+UZ总琏ZIP 3.5(t+i：5 .4te+a2 S.4*l2iJCrai 和叶zS,1E&+D3 3,1Dt+02 3H5&+C2 SjOCt+r?.Zgntnurs of 5ta: c Tamgeriiurie： (10将 internal emissivtiy=O率非常小。图3-7温度分布以及换热量AitM 2012NSV8 fLUEMT 13 0 Od. cbnE.hmi后，传热功率下降为21W说明无辐射换热
16、时，仅靠空气导热的传热功iii ) Fluid禾口 externalsolid 之间的 internalemissivtiy=1 ，fluid 的 absorptioncoefficient=14 C( i-t fa.Di+cz3 Bh+R3.K+az3 ?Tit+023 7T*+r23.報*轉J.Ki*G23 BfJi+fl? 3空+口丘 3.Si*+ci 3.AG4+U!3细中阳1 aiQ71 SCnt+SIZ3 Gt+02ContoursTemjiajte(io砂 210, 21012AFJSYS FLUMT lSClOit phis, jm)iv ) Fluid禾口 external图
17、3-8温度分布以及换热量solid 之间的 internalemissivtiy=0,fluid 的 absorption coefficient=1昭g九巧*UUm3.日站g3.5： E-KI25声g35itK?3.-4fi i+Cr；3.42 hOE3.3Bm*IK：3. He.2E-+0Z- rli f d/兀Reportshtbr-3 押.出訂|忌紳胪i?! Tot创 HeatT-isrrfer Fate* lP.dJ =ftbi rt= dt ti artr Rste何中冲| SaCM-shadlciH“I wi”也帕usNE伽HEl vertVgurds-T T -g11M*ich
18、Mb 门5住阿1：6i= 1F74Z575t5=I：加口U7 Ltm:( -fmaerurT (KJAflrifl,JQ13占HET3FLUEMT 忖.0(2d. iihns. Immivi ) emissivity=1 , fluid absorption coefficient=O , external solid absorptioncoefficient=10 con ductivity=0.02图3-10温度分布以及换热量J.I UJm.TILRJ-Ur jriUTH- IJJEi+OE .73t+TO 5.7a*CBJ.S+OE3.來 HW3k,2&2 3? *+? 32902 3
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