FLUENT培训教材06传热模型.ppt

ANSYS FLUENT 培训教材第六节：传热模型,安世亚太科技（北京）有限公司,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?,Conduction,SpeciesDiffusion,ViscousDissipation,Conduction,Unsteady,Enthalpy Source/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,Coolant Flow Past Heated Rods,Grid,Velocity Vectors,Temperature Contours,共轭传热例子,Circuit board(externally cooled)k=0.1 W/mKh=1.5 W/m2KT=298 K,Air inletV=0.5 m/sT=298 K,Electronic Component(one half is modeled)k=1.0 W/mKHeat generation rate of 2 watts(each component),Top wall(externally cooled)h=1.5 W/m2KT=298 K,SymmetryPlanes,Air outlet,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,Front View,Top View(image mirrored about symmetry plane),替代的模拟策略,可替代的策略为模拟壁面为一有厚度面(Thin Wall model).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,Fluid zone,Solid zone,Wall zone(with shadow),Wall thermal resistance directly accounted for in the Energy equation;Through-thickness temperature distribution is calculated.Bidirectional heat conduction is calculated.,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,Wall thermal resistance is calculated using artificial wall thickness and material type.Through-thickness temperature distribution is assumed to be linear.Conduction is only calculated in the wall-normal direction unless Shell Conduction is enabled.,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,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 0.设置热膨胀系数.使用温度变化模型(ideal gas,Aungier-Redlich-Kwong,polynomial):设置操作密度或让 FLUENT 从单元平均中计算 0,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，Stefan-Boltzmann常数,5.6710-8 W/(m2K4)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lSurface-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(L 1)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,附录,太阳辐射模型,太阳辐射模型太阳辐射能量的射线追踪算法，和其他辐射模型兼容允许并行计算（但射线追踪算法不能并行）仅适用3D特点太阳方向向量太阳强度（方向，散射）使用理论最大或气象条件计算方向和方向强度瞬态情况当方向向量是用太阳计算器算出的化，瞬态计算中太阳方向矢量会随时间改变设置“time steps per solar load update”,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,Thermal boundary condition on wall,Static temperature(cell value),Thin wall(no mesh),Wall temperature(outer surface),Wall temperature(inner surface),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,Thermal boundary conditions are supplied on the inner surface of a thin wall,Exterior wall(user-specified thickness),Fluid or solid cells,Outer surface(calculated),Inner surface(thermal boundary condition specified here),Interior wall(user-specified thickness),Interior wall shadow(user-specified thickness),Thermal boundary conditions are supplied on the inner surfaces of uncoupled wall/shadow pairs,Fluid or solid cells,Fluid or solid cells,离散坐标模型,Scattering,在有限的离散立体角度s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：在 ANSYS中，到“General Postproc Data”及“File Options”，读入FLUENT生成的文件到“Results Summary”，点击第一行，能看到ANSYS_56_OUTPUT窗口显示的几何信息在 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 FLOTRAN 3D 单元，如果你使用二维计算，应改为：ET,1,141.在 ANSYS MULTIPHYSICS UTITLITY 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/ansys file-name文件包括坐标、连接关系及下面 的标量：Density,viscosityX,Y,Z velocity,pressure,temperatureTurbulence kinetic energy,turbulence dissipation rate,turbulent viscosity,effective viscosityThermal conductivity(laminar,turbulent,effective)Total pressure and temperature,pressure coefficient,Mach number,stream function,heat flux,heat transfer coefficient,wall shear stress,specific heat,输出 ABAQUS,输出文件（file.aba）包括坐标、连接关系、选择的载荷、域组、速度、选择的标量等只对三维模型有效，并且是固体域或固体域的表面流体域的传热系数不可写出 下面命令对做流固交界面分析有用 file/export/abaqus file-name list-of-surfaces()yes|no list-of-scalars q,输出其他格式,NASTRAN/PATRAN对于 ABAQUS,NASTRAN,和 PATRAN,选择要写出的载荷(Force,Temperature,and/or Heat Flux)来分析结构应力(fluid pressure or thermal)如果没有选择面的话，载荷只在边界面上写出,报告 Heat Flux,Heat flux 报告:建议检查热平衡以确 保计算收敛输出 Heat Flux 数据:可以输出壁面的热通量数据（包括辐射）file/export/custom-heat-flux 文件格式:,zone-name nfacesx_f y_f z_f A Q T_w T_c HTC,报告 传热系数,基于壁面函数的传热系数其中 cP 为比热,kP 是点P处湍动能,T*无量纲温度:只有湍流并且能量方程开关打开时有用,谢谢,A Pera Global Company PERA China,