传热学数值模拟实例教程(袁老师).docx
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传热学数值模拟实例教程
王志军
编著
邓权威
河南理工大学
二〇〇九年十二月
前 言
一、实验说明
导热问题实际上就是对导热微分方程（能量方程）在规定的定解条件下进行求解，而对流问题除了对能量方程进行求解外，往往还需对质量守恒方程以及动量方程进行求解。
对于少数几何形状以及边界条件简单的问题能获得分析解，但对于大多数工程技术中遇到的许多几何形状或边界条件复杂的导热对流问题，数学上还无法得除其分析解。
另一方面，在近几十年中，随着计算机技术的迅速发展，数值模拟技术得到了飞速的发展，其中CFD（计算流体力学）能解决流体流动，传热传质等很多工程问题，因而发展非常快。
Fluent作为目前国际上最流行的商用CFD软件之一，在美国和中国的市场占有率都超过60%。
只要涉及到流体、热传递以及化学方法等问题都可以用Fluent进行求解。
它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、消防火灾、环境分析等方面都有着广泛的应用。
本模拟实例库主要是运用成熟的Fluent软件对传热学的一些简单问题进行数值求解，主要包括一维稳态导热问题的求解，二维多热源的稳态导热问题，二维方腔内自然对流和混合对流，管内强制对流换热问题的数值模拟。
模拟实验的目的在于是为同学们提供一个形象直观而又生动的工具，为本科传热学的学习提供一个新的视角，使传热学的学习从抽象的理论中解放出来，变得直接而有主动，增强他们学习的兴趣与动力，从枯燥的灌输中解放出来。
另一方面数值模拟还能加深学生对基本概念、基本规律的理解。
杨世铭说：
“传热学课程的教学应当从以往的单纯地为后续专业课服务而转变到着重培养学生的素质与能力方面来。
通过将CFD数值模拟方法渗透到传热学的本科实验中，为培养学生的素质与能力提供一个强有力的工具，最终促进学生创新能力和应用能力的全面提升。
二、Fluent软件简介
Fluent软件是美国Fluent公司开发的通用CFD流场计算分析软件，囊括了FluentDynamicInternational、比利时Polyflow和FluentDynamicInternational（FDI）的全部技术力量（前者是公认的粘弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司，而后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司）。
Fluent是用于计算流体流动和传热问题的程序。
它提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。
可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。
Fluent还可根据计算结果调整网格，这种网格的自适
应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。
由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。
（1）程序的结构
Fluent程序软件包由以下几个部分组成：
（1）GAMBIT——用于建立几何结构和网格的生成。
（2）Fluent——用于进行流动模拟计算的求解器。
（3）prePDF——用于模拟PDF燃烧过程。
（4）TGrid——用于从现有的边界网格生成体网格。
（5）Filters（Translators）—转换其他程序生成的网格，用于FLUENT计算。
可以接口的程序包括：
ANSYS，I-DEAS，NASTRAN，PATRAN等。
图1基本程序结构示意图
利用Fluent软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图1所示。
首先利用GAMBIT进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于Fluent求解器计算的格式；然后利用Fluent求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。
（2）Fluent程序可以求解的问题
Fluent软件可以采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格，基本控制体形状如图2所示。
Fluent软件可以计算二维和三维流动问题，在计算过程中，网格可以自适应调整。
图2Fluent的基本控制体形状
Fluent软件的应用范围非常广泛，主要范围如下：
（1）可压缩与不可压缩流动问题。
（2）稳态和瞬态流动问题。
（3）无黏流，层流及湍流问题。
（4）牛顿流体及非牛顿流体。
（5）对流换热问题（包括自然对流和混合对流）。
（6）导热与对流换热耦合问题。
（7）辐射换热。
（8）惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。
（9）用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒，水滴，气泡等）。
（10）一维风扇、热交换器性能计算。
（11）两相流问题。
（12）复杂表面形状下的自由面流动问题。
（3）用Fluent程序求解问题的步骤
利用Fluent软件进行求解的步骤如下：
（1）确定几何形状，生成计算网格（用GAMBIT，也可以读入其他指定程序生成的网格）。
（2）输入并检查网格。
（3）选择求解器（2D或3D等）。
（4）选择求解的方程：
层流或湍流（或无粘流），化学组分或化学反应，传热模型等。
确定其他需要的模型，如：
风扇、热交换器、多孔介质等模型。
（5）确定流体的材料物性。
（6）确定边界类型及其边界条件。
（7）条件计算控制参数。
（8）流场初始化。
（9）求解计算。
（10）保存结果，进行后处理等。
（4）关于FLUENT求解器的说明
（1）Fluent2d——二维单精度求解器；
（2）Fluent3d——三维单精度求解器：
（3）Fluent2ddp——二维双精度求解器；（4）Fluent3ddp——三维双精度求解器。
（5）Fluent求解方法的选择
Fluent求解方法有①非耦合求解、②耦合隐式求解、③耦合显式求解。
非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。
耦合求解方法则可以用在高速可压缩流动。
FLUENT默认设置是非耦合求解，但对于高速可压流动，或需要考虑体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程，可较快地得到收敛解。
缺点是需要的内存比较大（是非耦合求解迭代时间的1.5-2.0倍）。
如果必须要耦合求解，但机器内存不够时，可以考虑用耦合显式解法器求解问题。
该解法器也耦合了动量，能量及组分方程，但内存却比隐式求解方法小。
缺点是收敛时间比较长。
（6）边界条件的确定
利用Fluent软件包进行计算过程中，边界条件的正确设置是关键的一步。
设置边界条件的方法一般是在利用GAMBIT建模过程中设定的，也可以在Fluent求解器中对边界类型进行重新设定。
Fluent软件提供了十余种类型的进、出口边界条件，分别介绍如下：
（1）速度入口（velocity-inlet）：
给出入口边界上的速度。
（2）压力入口（pressure-inlet）：
给出入口边界上的总压。
（3）质量入口（mess-flow-inlet）：
给出入口边界上的质量流量。
（4）压力出口（pressure-outlet）：
给定流动出口边界上的静压。
（5）无穷远压力边界（pressure-far-field）：
该边界条件用于可压缩流动。
（6）自由出流（outflow）：
对于出流边界上的压力或速度均为未知的情形，可以选择自由出流边界条件。
（7）进口通风（inletvent）：
进口通风边界条件需要给定入口损失系数、流动方向和进口环境总压和总温。
（8）进口风扇（intakefan）：
进口风扇边界条件需要给定压降、流动方向和环境总压和总温。
（9）出口通风（outletvent）：
出口通风边界条件用于模拟出口通风情况，并给定一个损失系数以及环境（出口）压力和温度。
排出风扇给定损失系数和环境静压和静温。
出口通风边界条件需要给定如下参数：
静压、回流条件、辐射参数、离散相边界条件、损失系数。
（10）排气扇（exhaustfan）：
排风扇给定压降，环境静压。
排气扇边界条件用于模拟外部排气扇，给定一个压升和环境压力。
（11）对称边界（symmetry）：
对称边界条件适用于流动及传热场是对称的情形。
（12）周期性边界（periodic）。
（13）固壁边界（wall）：
对于黏性流动问题，FLUENT默认设置是壁面无滑移条件。
对于壁面有平移运动或者旋转运动时，可以指定壁面切向速度分量，也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。
根据流动情况，可以计算壁面切应力和与流体换热情况。
壁面热边界条件包括固定热通量、固定温度、对流换热系数、外部辐射换热、外部辐射换热与对流换热等。
（7）后处理功能
Fluent软件自带的专用图形后处理模块能够显示流场分析中用到的各种图形及曲线，如速度矢量图、等值线图（流线图、等压线图等）、等值面云图（等温面等）、迹线图、XY-PLOT功能、体积（或面积）积分功能（力、流量等）、用户定义量的显示、残差和计算值的监控等。
三、实验过程中注意事项
（1）建立文件时（即ID），以自己的姓名全拼+数值来命名，如姓名为“张三”，则文件名（ID）分别为“zhangsan01”、“zhangsan02”、“zhangsan03”等等。
（2）注意对实验结果进行定期的保存，防止因网络中断而导致数据或结果丢失。
（3）关闭前处理软件Gambit时，不能象Windows下的普通程序一样关闭，而应采取退出的方式关闭，即File→Exit。
（4）当Gambit或Fluent不能正常运行时，注意看计算机系统时间是否设置正确，仍然出错时，可将C:
\Fluent.Inc\ntbin\ntx86文件夹中的default_id.lok文件删除。
四、预习与思考题
实验前注意预习对流数值求解方法，并对采用相似原理进行数值模拟的方法进行初步的思考。
五、实验报告要求
实验报告按照此指导书所附的“热工学试验报告”进行书写，要求详细阐明实验的目的、意义以及具体的操作过程，最后显示实验的具体结果，并对实验结果进行分析比较。
目 录
第一章一维稳态导热的数值模拟 1
第二章二维双热源稳态导热的数值模拟 15
第三章二维密闭方腔自然对流的数值模拟 25
第四章二维方腔混合对流的数值模拟 40
第一章一维稳态导热的数值模拟
一、模拟实验目的和内容
本模拟实验的目的主要有3个：
（1）学生初步了解并掌握Fluent求解问题的一般过程，主要包括前处理、计算、后处理三个部分。
（2）理解计算机求解问题的原理，即通过对系统进行离散化，从而求解代数方程组，求得整个系统区域的场分布。
（3）模拟系统总的传热量并与傅立叶导热定律的求解
结果相比较，验证数值模拟的可靠性。
实验内容主要包括：
（1）模拟一维稳态导热平板内的温度分布。
（2）模拟一维稳态导热总的传热量。
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二、实例简介
th
y
x
tc
图1-1导热计算区域示意图
如图1-1所示，平板的长宽度远远大于它的厚度，平板的上部保持高温th，平板的下部保持低温tc。
平板的长高比为30，可作为一维问题进行处理。
需要求解平板内的温度分布以及整个稳态传热过程的传热量。
三、实例操作步骤
1.利用Gambit对计算区域离散化和指定边界条件类型
步骤1：
启动Gambit软件并建立新文件
在路径C:
\Fluent.Inc\ntbin\ntx86下打开gambit文件（双击后稍等片刻），其窗口布局如图1-2所示。
图1-2Gambit窗口的布局
然后是建立新文件，操作为选择File→
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