Fluent实例：辐射与自然对流模拟

“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]辐射与自然对流模拟引言在这个算例中，将会解决二维方箱中的辐射与自然对流相结合的问题，网格采用四边形单元网格。在这个算例中将会学到以下知识点：1.应用Fluent中各种辐射模型Rosseland；2.使用Boussinesqmodel定义密度；3.设定辐射与自然对流传热问题的边界条件；4.将单一的墙划分为多个墙区域；5.对已有的流体物性进行修改；6.用隔离求解器求解；7.显示速度矢量和流函数等值线，以及温度等值线。问题描述将被考虑的问题如图5.1所示，一个边长为L的正方形箱体，右墙温度为2000K,左墙温度为1000K,上下墙绝热，重力向下，由于热重引起密度梯度所以发展为浮力流。箱体中的介质被认为是有吸收性和散射性的，因此墙壁间的辐射交换因存在吸收被减弱，同时也因为介质的散射作用而增强了。所有墙壁被认为是黑体，目的在于应用有效的辐射模型计算箱体中流场和温度场分布，以及墙壁的热流量，并且对于不同光学深度aL比较所表现出的特性。工质普朗特数大约为0.71，基于L的雷诺数为500000，这说明流动相当于层状流动，应用Boussinesq假设来模拟浮力流动。普朗克数为0.02，用于考虑传导与辐射的相对重要性，其中，T0=(Th+Tc)/2。在这个算例中将有三种opticalthickness的情况会被考虑到，分别是aL=0,aL=0.2,andaL=5。注意：物理属性和工作条件（重力加速度）都已经给定以适合于产生的想要的普朗特数，雷诺数和普朗克数。如下图所示：“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]第1步：网格将网格文件rad/rad.msh拷至fluent的工作目录下（就像在指南1中描述的一样），并起动fluent的二维单精度解算器。1.读取网格文件rad.msh.FileReadCase...当网格读入的时候，在Fluent控制窗口会显示相应的信息，会报告网格有2500个单元。2.检查网格质量。GridCheck...Fluent会对网格进行各种各样的检查，并会在控制窗口显示信息。特别注意最小体积，确保它是正数值。3.显示出网格（如图5.2）。图5.2：网格显示“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]注意：此时所有的墙体为一个整体，wall-4。下面需要将其分成四个独立的区域，才能对不同的区域定义不同的边界条件。4.将单一的墙分为四部分。GridSeparateFaces...（a）在Options.下选择Angle的分离方法；（b）在Zones列表下选择wall-4；（c）定义角度值89度。（d）单击Separate。带法向矢量的面在被89度分隔后会成为单独的区域，既然四个墙的区域是正交的，wall-4就被分为四个独立的区域。5.重新显示出网格。（a）在griddisplay对话框中选定所有的面后单击Display。注意：现在有四个不同的墙区域而不是一个。另外：你可以用鼠标右键来验证墙区域名称所对应的墙。在图形窗口中用鼠标右键点击任何一个边界，区域名称，类型都在Fluent控制窗口中显示出来。当同一个类型有几个不同区域，而你又需要迅速的区分开来时，这个用途的作用就特别明显。有些时候，可以使内部网格不显示，以便更准确的选择边界。第2步：模型选择辐射模型采用的是Rosselandmodel。1.选择默认解算器。“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]2.打开Rosseland辐射模型。DefineModelsRadiation...当你在RadiationModel面板上单击ok时，会出现一个信息提示框，告诉你新的材料物性被添加了，你将在后面设置物性参数，因此现在只需单击ok确认这个信息即可。注意：当你激活辐射模型时，fluent会自动打开能量解算器，因此不用另外再激活Energy对话框了。3.在模型中添加重力影响。DefineOperatingConditions...（1）打开Gravity。面板会自动扩展，显示所要额外的输入值。（2）设置y方向的GravitationalAcceleration值为-6.94e-5m/s2。上文中提到过，重力加速度调整到产生合适的无因次数（普朗特数，雷诺数和普朗克数），见图5.1及相关的说明。（3）设置工作温度为1000k.在下一步要激活的theBoussinesqmodel中将会用到工作温度值。“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]第3步：材料物性默认的流体材料为空气，在此次要解决的问题中工作介质也正是空气。但却是假想的流动，使各个物性都适合于给出特定的无因次数，因此必须对默认的空气参数进行修改。应用光学深度aL=0.2进行计算。（假设L=1，吸收系数则应设为0.2）。在后面，aL=5或者无光学介质（aL=0）时，计算得到的结果将会用来比较不同的光学介质对于的辐射模型的不同。DefineMaterials...1.在Density下拉框中选择boussinesq，并设定密度值为1000kg/m3；关于boussinesq模型的详细内容请看User'sGuide。2.设置比热容，Cp=1.103e4J/kg-K.3.设置导热系数为15.309W/m-K.；4.设置粘度为0.001kg/m-s.；5.设置吸收系数为0.2m-1.；提示：通过滚动条使先前面板中不可见的物性显示出来。6.在ScatteringCoefficient和ScatteringPhaseFunction中保持默认值，在要解决的问题中不涉及到散射问题；7.设定热扩散系数（用boussinesq模型时）为1e-5K-1。8.单击Change/Create，关闭Materials面板。第4步：边界条件DefineBoundaryConditions...1.对底部的墙设置边界条件（wall-4.006)。注意：如果不能确定wall-4.006对应的是否为底墙，可以用鼠标右键在图形窗口中单击底墙，在边界条件面板中Zone列表中会自动显示相应区域的名称。在设定其它墙的边界条件时也可以这样做，一定要保证设定正确的边界条件。“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]（1）将ZoneName改为bottom；（2）对于绝热墙，保持默认设置热边界条件。（heatflux=0）注意：Rosselandmodel模型不需要设定墙的发射率，对于其它辐射模型，就需要设定墙的发射率。2.对左墙设置边界条件（wall-4）（1）.将ZoneName改名为left.（2）在ThermalConditions下选择Temperature，并设置温度值为1000k;3.对右墙设置边界条件（wall-4:007.）（1）将ZoneName改名为right;（2）在ThermalConditions下选择Temperature，并设置温度值为2000k;4.对顶墙设置边界条件（wall-4:005）；（1）将ZoneName改名为top;（2）对于绝热墙，保持默认设置的热边界条件（heatflux=0）。第5步：Rosseland模型求解1.为控制解设置参数SolveControlsSolution...“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]（1）在Equations和Under-RelaxationFactors.下，保持默认值。（2）在Discretization下,Pressure选择PRESTO!，MomentumandEnergy选SecondOrderUpwind。2.流场初始化SolveInitializeInitialize...（1）将温度设置为1500k,单击Init.3.计算时，激活残差曲线显示。SolveMonitorsResidual...（1）在Options下，选Plot.（2）单击ok。注意：Rosselandmodel不能解决额外的辐射热传播方程，因此显示不出残差曲线来。但可以解出能量方程中的导热系数，当使用theP-1andDO模型时，就可以解决辐射输运方程，能显示出辐射残差曲线。4.保存case文件。（rad_ross.cas）FileWriteCase...5.开始计算，进行200次反复收敛。SolveIterate...大约在180次时计算就会收敛。“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]6.保存数据文件（rad_ross.dat).FileWriteData...第6步：Rosseland模型后处理1.显示收敛曲线。SolveMonitorsResidual..plot2.显示速度矢量。DisplayVectors...“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]图5.3：Rosseland模型的速度矢量3.显示流量函数等高线（如图5.4）。DisplayContours...图5.4：Rosseland模型的流函数的等势图由于箱内的自然对流的存在，就观察图形中呈现循环模式。在光学厚度(0.2)很小时，辐射不会对流动造成很大影响，得到的流场与没有辐射时相似（如图5.5）。但theRosseland模型显示的流场很对称（如图5.4），跟纯粹的自然对流不一样。这个差异的产生主要是因为对较小的光学厚度而言，theRosseland模型不是很合适。4.显示温度等势图。DisplayContours...“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]图5.5：Rosseland模型的温度的等势图5.计算每个侧墙的总的壁面热通量。ReportFluxes...（1）在Options下选择TotalHeatTransferRate。（2）在Boundaries下选择right和left。（3）单击Compute按钮。热墙和冷墙总的传热率大约为7.43×105,两侧墙上总的热通量大致平衡。“CAE/CFD创新工场”blog.sina.com.cn/caecfdEmail:[e-mail]5.沿着水平中心线显示y向速度图。在y=0.5处，沿着箱体的中心处的水平线创建一个切截面。SurfaceIso-Surface...1).在SurfaceofConstant下拉列表中选Grid...，在下面的列表中选Y-Coordinate。2).单击Compute，看计算域的范围。3).在Iso-Values中设定值为0.5，将NewSurfaceName改为y=0.5.4).单击Create来创建切截面。（2）在切截面上创建y向速度的XY散点图。PlotXYPlot...在速度剖面图中，右侧热墙呈现上升趋势，左侧冷墙呈现下降趋势。将绘图数据存储文件。在面板中选择WritetoFile命令，单击Write...按钮。在接下来的SelectFile对话框中，在XYFile文本输入框中输入文件名，单击OK即可。最后保存case和data文件（rad_ross.cas和rad_ross.dat）。