2021年Fluent輻射傳熱模型理論以及相關(guān)設(shè)置

1、*歐陽光明*創(chuàng)編2021.03.07*歐陽光明*創(chuàng)編2021.03.07Fluent輻射傳熱模型理論以及相關(guān)設(shè)歐陽光明(2021.03.07)目錄1概述22基礎(chǔ)理論22.1專業(yè)術(shù)語解釋：22.2FLUENT輻射模型介紹：22.3輻射模型適用范圍總結(jié)23Fluent實(shí)際案例操作23.1Casel-測試externalemissivity使用DO模型計(jì)算-2D模型23.2Case2-測試internalemissivity-使用DO模型計(jì)算-2D模型23.3仿真結(jié)論2*歐陽光明*創(chuàng)編2021.03.07*歐陽光明*創(chuàng)編2021.03.071概述在傳熱的仿真中，有時(shí)候會(huì)不可避免的涉及到輻射傳熱，而我

2、們對Fluent中輻射模型的了解甚少，很難得到可靠的計(jì)算結(jié)果。因此，一直以來，F(xiàn)luent中的帶輻射的傳熱仿真是我們的一個(gè)難點(diǎn)，本專題重點(diǎn)來學(xué)習(xí)輻射模型的理論，讓我們對輻射計(jì)算模型有一個(gè)深入的了解，以幫助我們攻克這個(gè)仿真難點(diǎn)。2基礎(chǔ)理論2.1專業(yè)術(shù)語解釋：在Fluent中開啟輻射模型時(shí)，流體介質(zhì)以及固體壁面會(huì)出現(xiàn)一些專業(yè)的參數(shù)需要用戶來設(shè)置。在Fluenthelp中介紹輻射模型時(shí)會(huì)經(jīng)常提到一些專業(yè)術(shù)語。對這些專業(yè)參數(shù)以及術(shù)語，我們來一一解釋：1、Opticalthickness（光學(xué)深度，無量綱量）：介質(zhì)層不透明性的量度。即介質(zhì)吸收輻射的能力的量度，等于入射輻射強(qiáng)度與出射輻射強(qiáng)度之比。設(shè)入射到

3、吸收物質(zhì)層的入射輻射強(qiáng)度為I，透射的輻射強(qiáng)度為e，則T=I/e，其中T為光學(xué)深度。按照此定義，那介質(zhì)完全透明，對輻射不吸收、也不散射，透射的輻射強(qiáng)度e=入射輻射強(qiáng)度I,即光學(xué)深度為T=1，介質(zhì)不參與輻射。摘自百度百科而FLUENT中T=aL，其中L為介質(zhì)的特征長度，a為輻射削弱系數(shù)（可理解為介質(zhì)因吸收和散射引起的光強(qiáng)削弱系數(shù)）。如果T=0,說明介質(zhì)不參與輻射，和百度百科中的定義有出入。但是所表達(dá)的意思是接近的，一個(gè)是前后輻射量的比值；一個(gè)是變化量和入射輻射量的比值（根據(jù)Fluenthelp里的解釋，經(jīng)過介質(zhì)的輻射損失量=I*T，個(gè)人理解，按照此定義，T不可能大于1啊，矛盾。/TheoryGui

4、de:0/5.HeatTransfer/5.3.ModelingRadiation/5.3.2.RadiativeTransferEquation）。該問題的解釋為：其實(shí)一點(diǎn)也不矛盾，如果Opticalthickness=1,就說明輻射在經(jīng)過一定特征長度L的介質(zhì)后被完全吸收。如果1,就說明輻射根本穿透不了特征長度L的介質(zhì)，而被早早吸收完了。打個(gè)比方，Opticalthickness=10，說明輻射在經(jīng)過L/10距離后已經(jīng)被吸收（或散射）完。其中a=aA+aS；2、AbsorptionCoefficient（aA吸收系數(shù)，單位1/m,見圖2-1）:因?yàn)榻橘|(zhì)吸收而導(dǎo)致的輻射強(qiáng)度在經(jīng)過每單位長度介質(zhì)

5、后改變的量?？諝庾鳛榱黧w介質(zhì)時(shí)，一般不吸收熱輻射，該系數(shù)可近視設(shè)為0。而當(dāng)氣體中水蒸氣和CO2含量較高時(shí)，那對輻射的系數(shù)就不能忽略了。3、ScatteringCoefficient（aS散射系數(shù)，單位1/m）:因?yàn)榻橘|(zhì)散射而導(dǎo)致的輻射強(qiáng)度在經(jīng)過每單位長度介質(zhì)后改變的量?？諝庾鳛榱黧w介質(zhì)時(shí)，一般情況下，該系數(shù)可近視設(shè)為0。對于含顆粒物的流體，散射作用不容忽視。4、RefractiveIndex（折射系數(shù)，無量綱量）：介質(zhì)中的光速和真空中的光速之比。如是空氣，可近視設(shè)為1（默認(rèn)值）。一般對于具有方向性的輻射源問題，比如LED發(fā)光或激光等光學(xué)傳熱問題，輻射在經(jīng)過水以及玻璃等透明介質(zhì)時(shí)，需要設(shè)置該參數(shù)

6、。一般情況，熱輻射在計(jì)算域中是往各個(gè)方向輻射的，各項(xiàng)同性，沒有方向性，該參數(shù)設(shè)為1即可。圖2-1介質(zhì)的輻射相關(guān)參數(shù)設(shè)置5、DiffuseReflection（漫反射）：輻射到不透明固體表面的能量，一部分被固體吸收，另一部分被反射，其中反射分為鏡面反射和漫反射。6、SpecularReflection（鏡面反射）：7、InternalEmissivity（內(nèi)部發(fā)射率）：處于計(jì)算域中的couplewall，solid和fluidzone或者solid和solidzone或者fluid和fluidzone之間的輻射率。8、ExternalEmissivity（外部發(fā)射率）：處于計(jì)算邊界上wall，外

7、部環(huán)境和wall之間的輻射率。對于基于灰體輻射假設(shè)的計(jì)算，灰體輻射率不隨波長變化，灰體輻射率=吸收率；9、ThetaDivisionandPhiDivision：設(shè)置為2,可作為初步估算；為了得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果，最少設(shè)置成3,甚至為5，F(xiàn)luent13.0默認(rèn)值為4。10、ThetaPixelsandPhiPixels:對于灰體輻射，默認(rèn)值1*1足夠了；但是對于涉及到對稱面、周期性邊界、鏡面反射、半透明邊界時(shí)，需設(shè)置為3*3；FLUENT輻射模型介紹：Fluent中有五種輻射計(jì)算模型，各個(gè)模型的使用范圍以及其優(yōu)缺點(diǎn)分別為：1、DTRM模型：優(yōu)勢：模型相對簡單，可以通過增加射線數(shù)量來提高計(jì)算精度

8、，適用于光學(xué)深度范圍非常廣的各種輻射問題。限制：1）模型假設(shè)所有面都是漫反射，意味著輻射的反射相對于入射角是各項(xiàng)同性的，無鏡面反射。2）忽略散射作用。3）灰體輻射假設(shè)。4）使用大數(shù)目射線求解問題，非常耗費(fèi)CPU資源。5）和非一致網(wǎng)格（non-conformalinterface）、滑移網(wǎng)格（slidingmesh）不能一起使用，不能用并行計(jì)算。2、P1模型；：優(yōu)勢：相比DTRM模型，P1模型耗費(fèi)自己資源更少，并且考慮了散射作用；對于光學(xué)深度較大的燃燒模型，P1模型更穩(wěn)定。P1模型使用曲線中uobiao比較容易處理復(fù)雜幾何的輻射問題。限制：1）假設(shè)所有面都是漫反射，和DTRM相同。2）使用與灰體

9、和非灰體輻射問題。3）如果光學(xué)深度很小時(shí)，模型計(jì)算精度取決于幾何的復(fù)雜性。4）對于局部熱源以及散熱片問題，該模型會(huì)夸大輻射傳熱量。3、Rossland模型：優(yōu)勢：相對P1模型。它不求解額外的關(guān)于入射輻射的傳輸方程，因此比P1模型耗資源要少。限制：只能用于光學(xué)深度比較大的情況，推薦用于光學(xué)深度大于3的情況；不能用于密度求解器，只能用于壓力求解器。4、Surface-to-Surface（S2S）輻射模型；優(yōu)勢：非常適用于封閉空間中沒有介質(zhì)的輻射問題，（如航天器、太陽能搜集系統(tǒng)、輻射供熱裝置等）；限制：1）所有面都是漫反射。2）灰體輻射假設(shè)。3）在表面增加時(shí)，耗費(fèi)計(jì)算資源大幅增加。4）不能用于介質(zhì)

10、參與的輻射問題（participatingradiation）。5）不能和周期性邊界、對稱邊界、非一致網(wǎng)格交界面、網(wǎng)格自適應(yīng)一起使用。5、DO模型優(yōu)勢：適用于所有光學(xué)深度范圍的輻射問題；既能求解S2S的無介質(zhì)封閉區(qū)域問題，也能求解介質(zhì)參與的輻射問題。適用于灰體、非灰體、漫反射、鏡面反射以及半透明介質(zhì)的輻射。2.3輻射模型適用范圍總結(jié)DTRM和DO模型幾乎可適用于所有光學(xué)深度問題，相比之下，DO模型的范圍更廣。光學(xué)深度1，可用P1和Rossland模型；而3時(shí)，Rossland模型比較合適。對于光學(xué)深度1的問題，只能用DTRM和DO模型。S2S適用于光學(xué)深度為0的問題，即流體介質(zhì)不參與輻射的問題

11、?？偨Y(jié)：一般關(guān)于空氣對流輻射的問題，屬于光學(xué)深度=0的問題，因此可使用DTRM、S2S、DO模型，在ICEPAK解決輻射問題就有這三個(gè)模型的選項(xiàng)（在13.0版本中才加入DTRM和DO模型）。3Fluent實(shí)際案例操作從簡單的2Dcase入手，在實(shí)際操作中真正搞清楚emissivity和absorptioncoefficient的含義，以及Fluent中solid和fluidzone之間的輻射傳熱機(jī)理。3.1Case1-測試externalemissivity使用DO模型計(jì)算-2D模型2D模型，直徑2m，externalradiationtemperature400K，圓形為solid，恒溫30

12、0KwlDursnrsiaklempEMlurelSjOZiqHK:3DOr(JU3SjKirHK圖3-1溫度場分布圖屹詢MTiTTmdIRdCtoon5LCWSOPHIMufc仙越UCI5|ITwraiCahdltlcfis：OfiMtrluK0TAmpfiratLra0LC4iVl：iC4iQFjdHtnriOwcdEiternaiE曲皿昨ExternalF:3ltKinlenflcriaLurfl1丄審TErr朽熱炸不(EU_JH&sJtoenefA:1Rjte-圖3-2輻射換熱設(shè)置設(shè)置externalemissivity1,計(jì)算出外界對wall輻射傳熱功率為6230.3188W，根據(jù)理

13、論公式計(jì)算：Pra=5.67e-8*1*3.14*2*(400人4-300人4)=6231W。仿真結(jié)果和理論計(jì)算非常接近。將externalemissivity設(shè)成0.5，計(jì)算出輻射傳熱功率為3114.6W。改變internalemissivity的值，計(jì)算值不變。從以上仿真結(jié)果可知：1、2.1小結(jié)的第八點(diǎn)externalemissivity的解釋是正確的，輻射傳熱基于灰體假設(shè)，輻射系數(shù)等于吸收系數(shù)。Case2-測試internalemissivity-使用DO模型計(jì)算-2D模型1)Solid(Al)-solid(Steel)-solid(Al)-caseInternalemissivityE

14、xternalemissivity圖3-3從里到外Solid(Al)-solid(Steel)-solid(Al)i)InternalsolidFixtemperature=400C,externalradiationtemperature=300,externalemissivtiy=1；internalemissivtiy=1：4a*工3審曰旦3.Q2*+H3.31*KI239910237*+Cr23.SB*HJ23.94*+0Z3ja3*+K3.31+OZ350e+(J23.7H*023.77tKI23.75*+Cr23.73*O13.7Z*+0Z3.70et&2=3Q口sOZFinsR

15、rportsCf3dariJJptP=vnmtfy,J閃Ugr|站:antQurE：DTStaticTemneralure(k)Apr3D,2012msrsfluent13.0(2d.pbns.lam)圖3-4溫度分布以及換熱量ii)internalemissivtiy=0：4.an*oi3.9Bt*0Z3.35t+OZ33*02Wlt+OZ3.30t+oz3ja7*+H2j8n*:t嗣陽oz3.33*+0Z3j8D*fll3.7Bt+023.77*+0Z3.75*+D22.73i*fl23.71t*DZ3.55*+OZ3H*+H3jan*oi3/5+t*OZ|Saw已OutputParan皀

16、氓r.CpticflSaxissxhaust-f-anAfaninlst-vflntVQKlKsFkxHPatet*)TrialHeatTrarafH-RateORedlationHeatTransferRetsEtuidfiri/KlafTiEPatternrlatdiEEid&”Typ翳圓目匚口nplgIWhtK,.ItkHUIHgipNetResjItsO)-5D&3.7Apr3D,2012:antQurE：DTStaticTemneralure(k)圖3-5溫度分布以及換熱量從圖4、5可知，上下兩張圖的溫度分布非常相近，上圖中溫度稍高，而zone之間的換熱量存在差異，將internal

17、emissivity改為0，代表兩個(gè)不同材料的zone之間輻射傳熱量為零，因此總傳熱量從5555W降低至5055W。可知，F(xiàn)luent中認(rèn)為緊密相連的兩個(gè)solidzone（存在couplewall）之間是存在輻射傳熱的（也可設(shè)置為無輻射傳熱），相當(dāng)于實(shí)際情況中的兩個(gè)物體的接觸面，只不過在Fluent中未設(shè)置接觸熱阻。總結(jié)：實(shí)際情況中有接觸熱阻，有輻射傳熱；Fluent中無接觸熱阻，有輻射傳熱。用Fluent一般不進(jìn)行涉及接觸熱阻細(xì)節(jié)的仿真。2)Solid(Al)-fluid(air)-solid(Al)，nogravity-casei)，externalemissivtiy=1；intern

18、alemissivtiy=1，fluid的absorptioncoefficient=0；4.0te+O23.97+023.9：e+023.!3fe+023.07e+C23.眄射023.0te+C237TG+023746+0237Ctti23.fi7e+022.G4etCQ3.6le+022.G?e+CQ3.5Je+023/H日+023.38+023.4H023.41&+02niDursEStalkTemperadurE(kJApr20.201AN8Y0FLUENT13.Dt2nbns.Ian圖3-6溫度分布以及換熱量中心400K的solid往externalsolid的輻射傳熱功率為：Pra

19、=5.67e-8*1*3.14*1*(400A4-335A)=2315W，和fluentreprot值2333W(包含了空氣熱傳導(dǎo)的功率)比較接近；ii)internalemissivtiy=0，fluid的absorptioncoefficient=0；BoundariesIS.曰3.13frX29.1029.05?-h323nn*-KJ2訶卜丁eternalrtcnor-3rteHij卜5UfZJCi百:ontoursorStaticTemperslu佗kQpiasFhRateTotalNeatTran才erRiteCRaclaGcriHetTransferRateM5詁auat-F.汕f

20、dTlintat-ventBcijrriwrrijarTcPrttwriSweOutpLi-Parameter.圖3-7溫度分布以及換熱量rt.wiDr-5:DC9sbjadnwrteior-JsilLO.Apr20.2D12at-jsysFLUEPJr13D(2d,pbns,lam)將internalemissivtiy=0后，傳熱功率下降為21W，說明無輻射換熱時(shí)，僅靠空氣導(dǎo)熱的傳熱功率非常小。iii)Fluid和externalsolid之間的internalemissivtiy=1,fluid的absorptioncoefficients；33ROc-KlZ308e-M2.DDtXJZ

21、MafiiFlnwRjtaTotalHeatTratfetRateORadationHeatTransFerRateBOLOlar/Tg5rtetnr7:UUK?haui-fBnfa-ihier-venr11Match1BourriaryNansPatternSaveCi/pJrPararreter-,!S圖3-8溫度分布以及換熱量M.dl-7wail-7-dacl-iv)Fluid和externalsolid之間的internalemissivtiy=0，fluid的absorptioncoefficient=1；4DDir4l23昭3S1J25.06(7*02J-BEt+OZ勺77-tO2

22、S.73t*O23帕323flS-H323.5DtirHD23SAe-ma?5D*-KJ23嗚申己34ir-M323.3Dt*O23.31Gr*fl232?Q2M22fi-*O231EC-K12313r+O23.DEfr+O2CantciUrsofElalicTeniperalbrekApMD.2012MMSYSFLUENT13.0(2d.pbn5Jam)圖3-9溫度分布以及換熱量v)Fluid和externalsolid之間的internalemissivity=1，fluidabsorptioncoefficient=0，externalsolidabsorptioncoefficient

23、=1，conductivity=0.02；A.Mi+02S.Wl+Ci23.9H+D23.T7tO23.734+023.1534+023JM4+CQ總心計(jì)+023.e+02S.Wa+CfiSJQe+DZ3.4atca5.424+023：BetO23.HtCQ3J1e+D2927c02S3+i25歸WgP旳-電中.Gfttjns1/FIdhjRateloyHZTrarrsferRats0RaddimlieatTransferPtr1)3曲Atidiaust-FanFanHet-verit日uundaryHarrcPatbsmflDLrdsryJTj/pIwdkJHatchEtuTidar已Rukf|qxtemfll_walhBirJtefct-3iterig巧|irAeficr-5:0CiJtercr5:OHhackw|砧口:皿1w-alk