一维稳态导热的数值模拟.docx
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一维稳态导热的数值模拟
第一章一维稳态导热的数值模拟
、实例简介
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。
、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.lnc\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
Hile:
WSavecurrentseston
Close
Accept|
图1-3建立新文件
在ID文本框中输入onedim作为文件名，然后单击Accept按纽，在随后显示的图1-4
对话框中单击Yes按纽保存。
图1-4确认保存对话框
步骤2:
创建几何图形
选择Operationl刊〜Geometry」〜Face打开图1-5所示的对话框。
图1-5创建面的对话框
在Width内输入30，在Height中输入1，在Direction下选择+X+Y坐标系，然后单击
图1-6几何图形的显示
步骤3：
网格划分
（1）边的网格划分
当几何区域确定之后，接下来就需要对几何区域进行离散化，即进行网格划分。
选择
Operation目宀MesJ宀Edge，打开图1-7所示的对话框。
即ac眄■ftpplyDefauill|
Intervalcounti1
Options
■
FRemoveoldmesh
_|IgnoresizeLinctions
Apply|
Reset1Qnse1
图1-7边网格划分对话框
在Edges后面的黄色对话框中选中edge.1和edge.3。
也可以采用Shift+鼠标左键的方
法选中edge.1和edge.3。
然后在Spacing中选择Intervalcount,在其左边的对话框中输入100，
即将这两个边各划分成100个等份。
最后点击Apply确认。
则出现图1-8所示的边网格划分。
采用同样的方法对面的其它边进行网格划分，设定edge.2和edge.4的Spacing对应的
数值为10，注意Spacing的类型仍然为Intervalcount,可以得到如图1-9所示面上各边的网
图1-9各边的网格划分
（2）面的网格划分
计算区域的内部同样需要进
对边进行网格划分实际上是对计算区域的边界进行离散化,行离散化，需要对计算区域进行面网格划分。
选择Operation曰宀Mesh口宀FaceE2，打开图1-10所示的对话框。
MeshFaces
Faces|
jace.1|ij
Sdheme:
1
Elements:
Type:
Smoother:
■ApplyDefaullt|
Quad_iI
MapiI
NoneiI
Spacing:
FApplyDefe训
Iniervalsizei1
Options;■闭电汕
」Removeoldmesh
」X弟泊浑i（＞?
;■）r衆）诧
」Ignoresizefunctions
岬ply|
Reset|Cose|
图1-10面网格划分对话框
在Faces后面的黄色框中选中face.1，选中之后，可以看到面上的边均变成红色，表示
选择成功。
对话框中的其它选项均保持默认值，此时Spacing的类型为Intervalsize，它左边
的默认值为1。
点击Apply确认可以看到图1-11所示的面网格划分情况。
图1-11面的网格划分
步骤4:
边界条件类型的指定
在指定边界条件之前，需要选定一个求解器，因为不同求解器的边界类型不一样。
这
里选择SolvetFluent5/6，选择之后Gambit布局窗口标题栏中的Solve:
Generic将变成Solve:
Fluent5/6。
Ir
选择Operation=；'tZone，打开图1-12所示的对话框，指定边界条件的类型。
SpecifyBoLindaryTypes
FLUENT
*AMvModify
*Delete*Deleteail
Name
Type
A
7
0>
JShowlabelsJShowcolors
Hame：
heat
Type：
WALL
Entity：
Edges-i||嗣沪$
Label
iypR
kdQe.3I
lEdgeI
Q
id
Remove
Edit
啣艸|Reset|（Jose|
图1-12边界条件指定对话框
首先指定面的上边为热源。
具体操作为在Name右边的白色框中输入heat,选择Entity
下面的类型为Edges，然后在Edges右边的黄色对话框中选择热源对应的边edge.3,点击
Apply之后就将edge3定义成了热源。
用同样的方法可以将下边定义成冷源cold。
左右两条
边可以不需要定义，保持Gambit默认即可。
都定义完之后，可以得到图1-13的边界名称和
边界类型。
SpecifyBoundairYTypes|
Action:
*Add
xDelete
FLUENT5阳
vModify
yDeleteall
Haine
Type
healWall电
coldWALL
图1-13热源和冷源边界条件的指定
步骤5:
指定计算区域的类型
Gambit默认的计算区域的类型为流体，而这里墙体内部的材料为固体，因此需要设置。
设置方法为：
选择Operation匚^宀Zone匸，打开如图1-14所示窗口，选择Type为Solid,
选择Entity为Faces,并在Faces右边的黄色对话框中选择面face.1,然后点击应用，即将计
算区域的类型指定为固体区域。
SpecifyCbmtinuumiTypes
FLUENT5JE
Nanis
TyP6
solid
SOLID
1
<14
<£>
Ntanie:
Action:
Add
VMOtlily
7Delete7JI
Typp：
SOLID-i
图1-14指定计算区域的类型
步骤6:
网格文件的输出
选择FileTExport宀Mesh打开输出文件的对话框，如图1-15所示。
图1-15输出文件对话框
注意只有选择了Export2-D（X-Y）Mesh选项之后才能输出为.msh文件。
点击Accept
之后，窗口下面的Transcript内出现Meshwassuccessfullywrittentoonedim.msh，表示网
格文件输出成功。
2.利用Fluent求解器进行求解
利用Gambit软件绘制出几何图形、划分网格、指定边界类型以及输出Mesh文件，然
后用Fluent将网格文件导入，便可以对其进行数值求解。
步骤1:
网格文件的读入、检查及显示
启动Fluent的2D求解器之后，首先需要对网格文件进行读入并检查。
启动Fluent后出现下面的窗口，在Versions中选择2d,点击Run按钮即可。
FLUfMlVn-iiuri
（1）网格文件的读入
选择FiletReadXase在C:
\Fluent.lnc\ntbin\ntx86下找到onedim.msh文件并将其读入,
如图1-16所示。
CutFilt
丈件匚型⑴：
匚血电Files
图1-16导入网格文件
（2）检查网格文件
选择GridtCheck对网格文件进行检查，这里要注意最小的网格体积（minimumvolume）值一定要大于0。
（3）显示网格
选择DisplaytGrid，出现网格显示对话框，如图1-17所示。
图1-17网格显示对话框
网格文件的各个部分的显示可以通过Surfaces下面列表框中某个部分是否选中来控制。
如图1-17所示的Surfaces下面列表框中的都被选中，此时单击Display，就会看到如图1-18
所示的网格形状。
图1-18Fluent中的网格显示
步骤2:
选择计算模型
一维导热模型的控制方程只有能量方程，只需要选择Define宀Models^Energy,然后在
出现的如图1-19所示的对话框中选中EnergyEquation,单击OK即完成了方程的选择。
EnergyX
Energy
两^EnerjiY.IEqiiation^
OKCancelHelp
图1-19能量方程的选择对话框
步骤3:
定义固体的物理性质
选择Define宀Materials,打开如图1-20所示窗口，在MaterialType选项中选择solid,
Fluent默认的固体材料为铝aluminum，我们假定平板的材料为铝，材料的属性取默认值,
点击Change/Create按钮，再点击Close即可。
图1-20固体材料的属性
步骤4:
设置边界条件
选择Define宀BoundaryConditions，对计算区域的边界条件进行具体设置。
对热源heat
的边界类型wall点击set,出现图1-21所示的对话框，将默认的ThermalCondition下的heat
Flux改为第一类边界条件Temperature,在Temperature右边的白色文本框内输入310。
用同
样的方法对冷源进行设置，其温度为300。
即热源和冷源的温度差为10K。
图1-21边界条件的设定
步骤5:
求解设置
（1）初始化
和Close按钮。
（2）残差设置
选择SolvefMonitors^Residual,打开如图1-23所示的对话框。
选择Options下面的
Plot复选项，则可在计算时动态地显示计算残差。
并将energy右边的残差设定为1e-08，然
后点击OK按钮。
图1-23残差设置对话框
（3）迭代计算
选择SolvefIterate，打开如图1-24所示的对话框。
设置NumberofIterations为200。
然后单击Iterate按钮，就会显示图1-25所示的计算过程。
图1-25迭代求解过程
步骤6:
保存结果
选择FilefWritefCase&Data保存所有的设置和所有的数据。
四、模拟实验结果
经过上面的迭代计算，就可以查看模拟计算的结果。
模拟结果的主要包括三个方面:
（1）平板内部的温度分布；
（2）平板内部的温度梯度；（3）平板总的传热量。
（1）平板的温度分布
选择DisplayfContours,出现图1-26所示的对话框，在Contoursof下选择Temperature和StaticTemperature，单击Display出现一个窗口，按住鼠标中间向右拖动将等温度图适当放大（图形的缩放、移动可以通过Display->MouseButton来打开MouseButtons（鼠标按键）面板进行设定。
），即可得到如图1-27a所示的温度分布。
在Contours窗口中选中Options
中的Filled，可以得到如图1-27b所示的温度分布云图。
图1-26等温线对话框
3.104*02
孚血>7*2
S.dte+az
a；a乩仪堆
i.06^02
3.a44*02
3ja4^*02
S.i33«+O2
»JQ2<8*O2
3JaH-K12
3J01AKI2
3OQ«*02
图1-27a平板内的等温线分布（局部放大）
3«.10a4{]2買快亦3.D&C-HJ23.D&fl+023.D6fl+d23.DBfl+d23.D7a-h32
3.D&6-K32
3.D&e+02
3.05^402
¥g+02
3.04a+02
3.04fl+02
3.03flt02
3.Dla-HD2
3.D2«+CI2
3唤402囂卅亦5.01^+023.DDo+O2
图1-27b平板内的温度分布云图
从图1-27a可以得到，等温线在平板内部为水平分层，等温线均与壁面平行。
符合一维导热定律的理论结果。
（2）平板的温度梯度
Fluent本身的计算结果不包含温度梯度，为了得到温度梯度的值，需要在Fluent里按回
车键，然后输入solve回车，接着输入set回车，接着输入expert回车，在接下来出现的询问语句keeptemporarysovermemoryfrombeingfreed?
后面输入Yes。
然后重复利用Fluent求解器进行求解”中步骤5的初始化和迭代计算，就能得到温度梯度的分布。
具体操作为选
择Display宀Contours,出现图1-28所示的对话框，在Contoursof下选择Temperature和ReconsructiondT/dY，单击Compute，即可得到温度梯度的最小值为9.998277,最大值为
10.0016，即温度梯度的值为10,与理论结果完全一致。
图1-28平板内的温度梯度
（3）平板的总传热量
选择ReporttFluxes,打开图1-29所示对话框，在Options下选择TotalHeatTransferRate,
图1-29平板的总传热量
Boundaries下选择heat,然后单击Compute即可得到平板的总热流量为60726.6W。
根据傅
立叶导热定律计算的理论结果为60720W，相对误差为0.01%，表明结果正确。
Fluent保存和编辑图形的方法:
左键（或右键）点击显示窗口左上角的
图标，点开后最下面有三个选项:
PageSetup
Print及CopytoClipboard，选择PageSetup,出现如下图所示窗口。
WORD中粘贴,
Vector（矢量）
Raster（光栅）
按照上面窗口的设置完成后点击0K，再选择CopytoClipboard，再到
即可得到彩色白底图形。
在PageSetup中，PictureFormat（图形格式）一栏中可以将图形格式设为或Raster（光栅）。
其中Vector（矢量）格式清晰度高，但操作速度较慢，格式清晰度稍差，但操作速度较快，可以根据自己的需要决定图形格式。
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