Fluent辐射传热模型理论以及相关设置.docx

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Fluent辐射传热模型理论以及相关设置

Fluent辐射传热模型理论以及相关设置

1ﻩ概述ﻩ2

2ﻩ基础理论2

2、1专业术语解释:

ﻩ2

2、2ﻩFLUENT辐射模型介绍:

2

2、3ﻩ辐射模型适用范围总结2

3ﻩFluent实际案例操作ﻩ2

3、1ﻩCase1-测试externalemissivity 使用DO模型计算-2D模型2

3、2ﻩCase2-测试internalemissivity-使用DO模型计算-2D模型2

3、3ﻩ仿真结论ﻩ2

1概述

在传热得仿真中,有时候会不可避免得涉及到辐射传热,而我们对Fluent中辐射模型得了解甚少,很难得到可靠得计算结果。

因此,一直以来,Fluent中得带辐射得传热仿真就是我们得一个难点,本专题重点来学习辐射模型得理论,让我们对辐射计算模型有一个深入得了解,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Fluent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得参数需要用户来设置。

在Fluenthelp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、Opticalthickness(光学深度,无量纲量):

介质层不透明性得量度。

即介质吸收辐射得能力得量度,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得入射辐射强度为 I,透射得辐射强度为e,则T=I/e,其中T为光学深度。

按照此定义,那介质完全透明,对辐射不吸收、也不散射,透射得辐射强度e=入射辐射强度I,即光学深度为T=1,介质不参与辐射。

   —摘自XX百科

而FLUENT中T=αL,其中L为介质得特征长度,α为辐射削弱系数(可理解为介质因吸收与散射引起得光强削弱系数)。

如果T=0,说明介质不参与辐射,与XX百科中得定义有出入。

但就是所表达得意思就是接近得,一个就是前后辐射量得比值;一个就是变化量与入射辐射量得比值(根据Fluenthelp里得解释,经过介质得辐射损失量=I*T,个人理解,按照此定义,T不可能大于1啊,矛盾。

//TheoryGuide:

0//5、 HeatTransfer//5、3、 ModelingRadiation //5.3.2、RadiativeTransfer Equation)。

该问题得解释为:

其实一点也不矛盾,如果Optical thickness=1,就说明辐射在经过一定特征长度L得介质后被完全吸收。

如果 >1,就说明辐射根本穿透不了特征长度L得介质,而被早早吸收完了。

打个比方,Opticalthickness=10,说明辐射在经过L/10距离后已经被吸收(或散射)完。

其中α=αA+αS;

2、AbsorptionCoefficient(αA吸收系数,单位1/m,见图2-1):

因为介质吸收而导致得辐射强度在经过每单位长度介质后改变得量。

空气作为流体介质时,一般不吸收热辐射,该系数可近视设为0。

而当气体中水蒸气与CO2含量较高时,那对辐射得系数就不能忽略了。

3、ScatteringCoefficient(αS散射系数,单位1/m):

因为介质散射而导致得辐射强度在经过每单位长度介质后改变得量。

空气作为流体介质时,一般情况下,该系数可近视设为0。

对于含颗粒物得流体,散射作用不容忽视。

4、RefractiveIndex(折射系数,无量纲量):

介质中得光速与真空中得光速之比。

如就是空气,可近视设为1(默认值)。

一般对于具有方向性得辐射源问题,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,热辐射在计算域中就是往各个方向辐射得,各项同性,没有方向性,该参数设为1即可。

图2-1介质得辐射相关参数设置

5、Diffuse Reflection(漫反射):

辐射到不透明固体表面得能量,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与漫反射。

6、SpecularReflection(镜面反射):

7、InternalEmissivity(内部发射率):

处于计算域中得couplewall,solid与fluid zone或者solid与solidzone或者fluid与fluidzone之间得辐射率。

8、External Emissivity(外部发射率):

处于计算边界上wall,外部环境与wall之间得辐射率。

对于基于灰体辐射假设得计算,灰体辐射率不随波长变化,灰体辐射率=吸收率;

9、ThetaDivision andPhiDivision:

设置为2,可作为初步估算;为了得到更为准确得结果,最少设置成3,甚至为5,Fluent13、0默认值为4。

10、ThetaPixelsand Phi Pixels:

对于灰体辐射,默认值1*1足够了;但就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;

2.2FLUENT辐射模型介绍:

Fluent中有五种辐射计算模型,各个模型得使用范围以及其优缺点分别为:

1、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得各种辐射问题。

限制:

1)模型假设所有面都就是漫反射,意味着辐射得反射相对于入射角就是各项同性得,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)与非一致网格(non-conformal interface)、滑移网格(slidingmesh)不能一起使用,不能用并行计算。

2、P1模型;:

优势:

相比DTRM模型,P1模型耗费自己资源更少,并且考虑了散射作用;对于光学深度较大得燃烧模型,P1模型更稳定。

P1模型使用曲线中uobiao比较容易处理复杂几何得辐射问题。

限制:

1)假设所有面都就是漫反射,与DTRM相同。

  2)使用与灰体与非灰体辐射问题。

  3)如果光学深度很小时,模型计算精度取决于几何得复杂性。

  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。

它不求解额外得关于入射辐射得传输方程,因此比P1模型耗资源要少。

限制:

只能用于光学深度比较大得情况,推荐用于光学深度大于3得情况;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得辐射问题,(如航天器、太阳能搜集系统、辐射供热装置等);

限制:

1)所有面都就是漫反射。

   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)不能用于介质参与得辐射问题(participatingradiation)。

 5)不能与周期性边界、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得辐射问题;既能求解S2S得无介质封闭区域问题,也能求解介质参与得辐射问题。

适用于灰体、非灰体、漫反射、镜面反射以及半透明介质得辐射。

2.3辐射模型适用范围总结

DTRM与DO模型几乎可适用于所有光学深度问题,相比之下,DO模型得范围更广。

光学深度>1,可用P1与Rossland模型;而>3时,Rossland模型比较合适。

对于光学深度<1得问题,只能用DTRM与DO模型。

S2S适用于光学深度为0得问题,即流体介质不参与辐射得问题。

总结:

一般关于空气对流辐射得问题,属于光学深度=0得问题,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得选项(在13、0版本中才加入DTRM与DO模型)。

3Fluent实际案例操作

从简单得2Dcase入手,在实际操作中真正搞清楚 emissivity与absorptioncoefficient得含义,以及Fluent中 solid与fluidzone之间得辐射传热机理。

3.1Case1-测试externalemissivity使用DO模型计算-2D模型

2D模型,直径2m,external radiation temperature400K,圆形为solid,恒温300K

图3-1 温度场分布图

图3-2辐射换热设置

设置external emissivity1,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*(400^4-300^4)=6231W。

仿真结果与理论计算非常接近。

将externalemissivity设成0、5,计算出辐射传热功率为3114、6W。

改变internalemissivity得值,计算值不变。

从以上仿真结果可知:

1、2、1小结得第八点externalemissivity得解释就是正确得,辐射传热基于灰体假设,辐射系数等于吸收系数。

3.2Case2-测试internalemissivity-使用DO模型计算-2D模型

1)Solid(Al)-solid(Steel)-solid(Al)-case

图3-3从里到外Solid(Al)-solid(Steel)-solid(Al)

i)Internal solidFixtemperature=400℃,externalradiationtemperature=300,external emissivtiy=1;internalemissivtiy=1:

图3-4温度分布以及换热量

ii)internalemissivtiy=0:

图3-5温度分布以及换热量

从图4、5可知,上下两张图得温度分布非常相近,上图中温度稍高,而zone之间得换热量存在差异,将internal emissivity改为0,代表两个不同材料得zone之间辐射传热量为零,因此总传热量从5555W降低至5055W。

可知,Fluent中认为紧密相连得两个solid zone(存在couplewall)之间就是存在辐射传热得(也可设置为无辐射传热),相当于实际情况中得两个物体得接触面,只不过在Fluent中未设置接触热阻。

总结:

实际情况中有接触热阻,有辐射传热;Fluent中无接触热阻,有辐射传热。

用Fluent一般不进行涉及接触热阻细节得仿真。

2)Solid(Al)-fluid(air)-solid(Al),nogravity-case

i),external emissivtiy=1;internalemissivtiy=1,fluid得absorptioncoefficient=0;

图3-6温度分布以及换热量

中心400K得solid往externalsolid得辐射传热功率为:

Pra=5、67e-8*1*3、14*1*(400^4-335^)=2315W,与fluentreprot值2333W(包含了空气热传导得功率)比较接近;

ii)internalemissivtiy=0,fluid得absorptioncoefficient=0;

图3-7温度分布以及换热量

将internalemissivtiy=0后,传热功率下降为21W,说明无辐射换热时,仅靠空气导热得传热功率非常小。

iii)Fluid 与externalsolid之间得internalemissivtiy=1,fluid得absorptioncoefficient=1;

图3-8 温度分布以及换热量

iv)Fluid 与externalsolid之间得internalemissivtiy=0,fluid得absorptioncoefficient=1;

图3-9温度分布以及换热量

v)Fluid与externalsolid之间得internalemissivity=1,fluidabsorptioncoefficient=0,externalsolidabsorptioncoefficient=1,conductivity=0、02;

vi)emissivity=1,fluidabsorptioncoefficient=0,externalsolidabsorptioncoefficient=10,conductivity=0、02

图3-10温度分布以及换热量

图3-11温度分布以及换热量

3.3仿真结论

从以上仿真结果,可以得出以下结论:

1、2、1小结得internalemissivity以及external emissivity得解释就是正确得。

2、air得absorptioncoefficient得默认值=0,代表air不吸收辐射,即不参与辐射。

3、solid得absorptioncoefficient得默认值=0,代表solid吸收辐射,并且absorption coefficient为无穷大,辐射被固体表面直接吸收。

辐射系数可设置。

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