FLUENT中五种辐射模型的详细计算对比

图中一个边长为L=1m的正方形箱体，右墙温度2000K，左墙温度1000K，上下墙绝热，重力向下，由于热重力引起密度梯度所以发展为浮力流。箱体中的介质被认为是具有吸收性和散射性的，因此墙壁间的辐射交换因存在吸收而减弱，同时因存在介质散射而增强。自然对流分为三步进行，有两种设置方法。第一步：设置工作条件（工作压力101325Pa、勾选重力加速度-6.9e-5（负号表示方向沿Y轴向下）、工作温度Tf=(1000+2000)/2=1500K）。第二步：对材料密度进行选择时有两种情况（1）选择idea-gas为理想气体模型，其密度满足理想气体状态方程，标准状态下P0=101325Pa、T0=15℃时，密度为理想气体标准密度为1.225kg/m3（2）选择Boussinesq为非理想气体，需要根据实际气体设置密度。第三部：设置自然对流其它参数，比热Cp=11030J/kg/K，热导率15.309W/m/K，粘度10-3m/s2，热膨胀系数1e-5K-1，吸收系数0、0.2、5m-1，散射系数目前不考虑。一、网格划分建立边长为1的正方形，对面和边线进行命名。全局面网格设置最大网格尺寸为0.2，表示网格最大边长为0.2，设置网格类型为四边形网格。设置线网格尺寸时有三种类型，普通、动态、复制，生成规律则有很多种（BiGometric、Uniform、Geometric1、Geometric2等），这些生成规律涉及到线上起始点与终止点的关系，所以在由点生成线时，相互平行的线，生成应当方向一致（从上到下或从左到右），在生成线网格时的方向才会相同。这里我们选用动态类型，生成规律为Biometric，每条边上节点数为50个，比例为1.2。二、参数设置1.选择默认求解器Scale可以设定模型的单位，默认为m，可以比例缩小或放大。求解器类型为基于压力变化、绝对速度、稳态、2D平面求解器。2DSpace选择为Axisymetric时，求解的是轴对称的圆柱坐标系统，注意ICEM中画图时，对称轴必须放置在X轴上。2.选择辐射求解模型辐射模型共有五种类型：Rosseland为光学厚度近似，将辐射热流等价于内部温度梯度的关系式，没有考虑边界上的发射率影响。P1模型没有考虑辐射传递方程RTE的方向性，考虑了散射的影响。DTRM为射线追踪法，不能考虑散射的影响，只考虑吸收作用。S2S为光学薄度近似，不考虑介质参与的辐射，适合计算真空系统，只考虑边界上的辐射，不能与周期边界或对称边界使用。Do模型为离散坐标法，考虑RTE方向性，可以计算散射介质，考虑边界发射率的影响，离散化程度影响计算精度。3.设置工作环境工作压力为101325Pa，勾选重力影响时，表示考虑自然对流，重力加速度方向为Y轴的负方向，大小6.96e-5m/s2，工作温度为两个对流面的平均温度（传热学课本351页的例题9.2中详细解释）。4.材料参数设置密度下拉选项中，idea-gas为理想气体，boussinesq为非理想气体的自然对流。设置比热、热导率、粘度、吸收系数0.2、散射系数0、热膨胀系数的大小。热膨胀系数是自然对流的一个重要参数，其定义参考传热学课本345页。5.区域材料和边界条件设定区域材料选择为air，常用源项和固定值两种设置方法。勾选FixedValues时，可以设置固定的温度值，表示该区域的温度保持固定不变。勾选SourceTerms时，可以设置内热源的大小，模拟电子器件的稳定发热源。设置四个边界条件，上下两边界为绝热，边界默认为绝热状态，不需要设置，只需要设置左右的定温边界即可。边界处没有发射率相关的设置，可见Rosseland模型并不能考虑边界处发射率的影响。6.求解器参数设置默认求解方程为流动方程和能量方程（虽然考虑了辐射，但Rosseland方法并没有求解辐射传递方程），相关系数保持默认。求解方法为simple算法，空间离散方式梯度为基于单元的最小二乘法，动量和能量离散方式为二阶迎风格式。压力离散方法有五种，一般情况选用standard就行了，PRESTO!方式适用于有高旋流强度流、高雷利数自然对流、高速旋转流、含有多孔介质的流动以及流域形状有强烈弯曲的流动。7.监视器设置监视器设置保持默认即可，迭代方程包括连续性方程、x方向速度、y方向速度、能量方程，可以分别设置其收敛值的大小。8.流场初始化及计算初始化流场选择所有区域，温度为1500K，点击Initialize即可初始化流场。输入迭代步数，点击calculate即可开始计算。三、计算结果1.显示收敛曲线SolutionMonitorsplot，显示收敛曲线图，计算260步左右达到收敛。2.显示速度矢量ResultsGraphicsandAnimationsVectorsvelocityVelocityMagnitude，选择surfaces中的面int_sur，显示流体区域内的速度矢量。3.显示流函数等高线ResultsGraphicsandAnimationsContoursvelocityStreamFunction，在surface区域中不能选择面，即可得到整个区域的云图，若选择了int_sur面，得到的为网格线图。4.显示温度等势图ResultsGraphicsandAnimationsContoursTemperatureStatictemperature，在surface区域中不能选择面，即可得到整个区域的温度云图。5.计算壁面热通量ReportsFluxes选择相应的边界，即可得到各边界上的热流量。6.沿水平中心线显示y向速度（1）创建y=0.5的水平线在iso-surface中选择网格mesh，固定Y-coordinate，单击compute计算取值范围Min到Max之间，输入iso-values的值为0.5，在newsurfacename中输入新的名称。（2）显示水平线上的y向速度PlotsXYPlot方向选择为x=1,y=0表示横坐标沿着平行x方向取值，选择y=0.5的表面。点击Axes可以对坐标轴进行设置，分别选择X、Y轴，勾选MajorRules可以得到X轴和Y轴上的标尺。P1模型选择辐射模型为P1模型，求解无方向性的RTE方程，不需要设置其它参数，材料属性栏中可以设置吸收系数和散射系数，可见P1模型考虑了介质的吸收和散射特性。在边界处可以设置发射率为1，P1模型考虑了表面发射率的影响。得到壁面热流量和水平中心线的y向速度曲线如图所示。DTRM模型DTRM为射线追踪模型，设置NumberofDTRMSweeps的数值为1，FlowItertationsperRadiationIteration开始设置为10，当模型网格数较多时，可以在计算一段时间后将该处的值改为1，加快收敛速度，同时收敛效果较好。单击确定后得到射线的属性设置，设置CellsPerVolumeCluster的数值为3，设置FacesPerSurfaceCluster的数值为3，单击确定后保存射线文件DTRM.ray。查看材料属性时，只有吸收系数的设置框，没有散射系数的设置框，可见DTRM模型没有考虑介质的散射。边界条件处可以设置发射率的数值为1，DTRM模型考虑了表面发射率的影响。得到壁面热流量和水平中心线的y向速度曲线如图所示。S2S模型S2S为面对面模型，EnergyItertationsperRadiationIteration开始设置为10，当模型网格数较多时，可以在计算一段时间后将该处的值改为1，加快收敛速度，同时收敛效果较好。点击视角系数选项框中的Compute/Write/Read生成视角系数文件并保存为时s2s.gz。查看材料属性时，没有吸收系数和散射系数的设置框，可见是S2S模型不能计算参与性介质的辐射。边界条件处可以设置发射率的数值为1，S2S模型只考虑表面发射率的影响。得到壁面热流量和水平中心线的y向速度曲线如图所示。Do模型Do模型为离散坐标模型，求解有方向性的RTE方程，FlowItertationsperRadiationIteration开始设置为10，当模型网格数较多时，可以在计算一段时间后将该处的值改为1，加快收敛速度，同时收敛效果较好。材料属性栏中可以设置吸收系数和散射系数，可见P1模型考虑了介质的吸收和散射特性。在边界处可以设置发射率为1，P1模型考虑了表面发射率的影响。得到壁面热流量和水平中心线的y向速度曲线如图所示。