7传热模型

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?ConductionSpeciesDiffusionViscousDissipationConductionUnsteadyEnthalpySource/Sink固体域的能量方程•能计算固体域的导热•能量方程:–h显焓:•固体域的各向异性导热系数（压力基求解器）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CoolantFlowPastHeatedRodsGridVelocityVectorsTemperatureContours共轭传热例子Circuitboard(externallycooled)k=0.1W/m∙Kh=1.5W/m2∙KT∞=298KAirinletV=0.5m/sT=298KElectronicComponent(onehalfismodeled)k=1.0W/m∙KHeatgenerationrateof2watts(eachcomponent)Topwall(externallycooled)h=1.5W/m2∙KT∞=298KSymmetryPlanesAiroutlet问题设置-热源•在固体域加入热源模拟电子部件的生成热温度分布FlowdirectionConvectionBoundary1.5W/m2K298Kfreestreamtemp.Convectionboundary1.5W/m2K298KfreestreamtempFrontViewTopView(imagemirroredaboutsymmetryplane)Elect.Component(solidzone)2WattssourceBoard(solidzone)Air(fluidzone)298426410394378362346330314Temp.(ºF)Flowdirection替代的模拟策略•可替代的策略为模拟壁面为一有厚度面(ThinWallmodel).•这时，不需对固体域划分网格对固体板划分网格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FluidzoneSolidzoneWallzone(withshadow)WallthermalresistancedirectlyaccountedforintheEnergyequation;Through-thicknesstemperaturedistributioniscalculated.Bidirectionalheatconductioniscalculated.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FluidzoneWallzone(noshadow)Wallthermalresistanceiscalculatedusingartificialwallthicknessandmaterialtype.Through-thicknesstemperaturedistributionisassumedtobelinear.Conductionisonlycalculatedinthewall-normaldirectionunlessShellConductionisenabled.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StaticTemperature(cellvalue)Virtualconductioncells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自然对流的用户输入•在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ρ0.•设置热膨胀系数β.–使用温度变化模型(idealgas,Aungier-Redlich-Kwong,polynomial):•设置操作密度或•让FLUENT从单元平均中计算ρ0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–σ，Stefan-Boltzmann常数,5.67×10-8W/(m2·K4)•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)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(αL1)•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•P1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…薄壁中的温度分布•薄壁模型应用于法向导热，不生成实际的单元•壁面热边界条件应用于外层ThermalboundaryconditiononwallStatictemperature(cellvalue)Thinwall(nomesh)Walltemperature(outersurface)Walltemperature(innersurface)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ThermalboundaryconditionsaresuppliedontheinnersurfaceofathinwallExteriorwall(user-specifiedthickness)FluidorsolidcellsOutersurface(calculated)Innersurface(thermalboundaryconditionspecifiedhere)xInteriorwall(user-specifiedthickness)1k2kInteriorwallshadow(user-specifiedthickness)22orTq11orTqThermalboundaryconditionsaresuppliedontheinnersurfacesofuncoupledwall/shadowpairsFluidorsolidcellsFluidorsolidcells离散坐标模型AbsorptionEmissionScattering•在有限的离散立体角度σs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.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Surface-to-Surface(S2S)辐射模型•S2S辐射模型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输出–ANSYS•输出扩展名为.rfl的ANSYS结果文件，读入到ANSYS的顺序为：1.在ANSYS中，到“GeneralPostprocData”及“FileOptions”，读入FLUENT生成的文件2.到“ResultsSummary”，点击第一行，能看到ANSYS_56_OUTPUT窗口显示的几何信息3.在ANSYS输入窗口，键入下面的命令:SET,FIRST/PREP7ET,1,142最后一个命令对应FLOTRAN3D单元，如果你使用二维计算，应改为：ET,1,141.4.在ANSYSMULTIPHYSICSUTITLITY菜单，选择Plot及Nodes或Elements,在下拉窗口的Results中，选择包括节点输出–ANSYS•通过GUI或TUI输出ANSYS文件/file/export/ansysfile-name•文件包括坐标、连接关系及下面的标量：–Density,viscosity–X,Y,Zvelocity,pressure,temperature–Turbulencekineticenergy,turbulencedissipationrate,turbulentviscosity,effectiveviscosity–Thermalconductivity(laminar,turbulent,effective)–Totalpressureandtemperature,pressurecoefficient,Machnumber,streamfunction,heatflux,heattransfercoefficient,wallshearstress,specifichea