Fluent流动与传热|04Fluent中的传热计算

导读：Fluent的传导、对流及辐射模拟。

• Fluent中可以考虑所有的传热方式:
• 传导、对流（强制对流/自然对流）、辐射
• 可以同时考虑与传热相关的各种物理现象
• 相间能量传递 (相变)、共轭换热、粘性耗散热、组分传递
• 模拟一般的对流/传导, 仅需激活Energy方程即可    

• 流体流动时，它携带的热也随之发生输运，这就是所谓的对流换热。
• 因此，对流换热与流体的流动过程存在耦合
• 能量方程+流动方程的激活，意味着对流的计算被激活，当能量方程激活时，流体中的传导也同时获得了计算。    
• 传热速率强烈依赖于流体速度
• 流体的属性可能由于温度的变化发生大幅变化（比如空气的密度）
• 在壁面处，对流换热系数通过湍流热壁面函数计算    
• 一般情况

• 如果边界层存在分离、转捩、滞止等现象，需要准确求解流动和热边界层
• y+≤1，1＜y+＜30范围内10层左右的网格
• 可以采用较为复杂的湍流模型：k-kL-w，intermittency transition，Transition SST model    

• 导热过程是由傅里叶定律控制
• 当能量方程激活时，Fluent计算流体和固体里面的导热
• 傅里叶定律说明导热的传热速率正比于温度的梯度
•      
• 比例系数即是导热系数
• k可能是温度、空间等物理量的函数
• k也可能是各向异性的。

• 壁面处的热边界：
• 常数 Heat Flux 或 Temperature
• Convection, Radiation, Mixed－外部环境未被模拟的情况下, 用户指定外部的对流换热系数、外部的反射率和辐射温度等条件

• Via System Coupling - 当Fluent在Workbench中通过 System Coupling与其它软件耦合时使用
• Via Mapped Interface-存在特别的 Non-conformal Interface时使用    

壁面是流体域最常见的边界, 同时也是重要的换热边界。Fluent中提供了若干 种模拟壁面换热的方法, 用户并不一定需要针对复杂的壁面划分实体网格。

• 方法 1

• 在前处理工作中生成壁的实体网格
• 将其指定为固体区域
• 最完善的方法

• 方法 2

• 仅仅对流体区域划分网格; 壁被处理为零厚度的面
• Fluent中指定壁面厚度
• 仅考虑壁面的法向导热    

• 方法 3

• 与方法 2 的处理方法类似, 但求解器中选择 “Shell Conduction”
• 求解器内部生成一层及以上的虚拟网格单元    

• 如果流体区域和固体区域共用边界节点 (Spaceclaim中模型进行过Share Topology运算, 两个接 触的几何之间共用边界面）, Fluent会在读入网格后自动生成一对wall/wall_shadow
• 如果流体区域和固体区域不共用边界节点, 需要将此处重叠的两个Interface定义为一组 Grid Interface

• 当流体温度发生变化, 在重力的作用下所发生的流动换热：

• 实际Fluent求解时，采用如下形式方程

• 避免了舍入方程
• 简化了压力边界条件的设定
• 后处理中显示的表压与实际的表压概念不同。

• 指定Operating Conditions面板中的Gravity

• 选择合适的密度模型

• 开口系统, 密度采用Incompressible Ideal Gas
• 闭口系统, 密度采用Ideal Gas
• 还需指定膨胀系数和操作温度 (此种情况下, 操作密度被忽略, 用户需要设定一个与操作温度所对应的密度）
• 对于理想气体, 膨胀系数是绝对温度的倒数

• 气体温差较小时, 采用Boussinesq模型

• 气体温差较大时

• 液体采用温度相关的分段线性函数或多项 式

• 选用Incompressible Ideal Gas或Ideal Gas时, 操作密度

• 开口系统, 选择环境温度对应的密度
• 闭口系统, 选择平均温度对应的密度

• 辐射是一种以电磁波为形式进行的能量传递
• 斯蒂芬-玻尔兹曼定律

• 何时考虑辐射?
• 温度很高
• 辐射与对流相当
• 比较辐射热流与对流热流

•      
• a: 吸收系数      
•       : 散射系数        
• L: 特征长度        
• 光学厚度的含义
• 辐射仅仅发生在壁面之间
• 薄: 介质对辐射没有太大影响, 介质是透明的
• 厚: 介质对辐射由重大影响

热量平衡-收敛的判断

• Flux Reports
• Total Heat Transfer Rate: 包含 了对流、辐射热流
• 收敛时接近于0
• 或者等于接近所有外部能量源 (UDF、常数热源、DPM )
• Radiation Heat Transfer Rate: 仅 包含了辐射热流
• 收敛时一般不为 0 , 该值代表了介质 所吸收的能量
• 双精度求解器有利于获得更 好的收敛特性
• 但会增加内存的消耗量, 降低求解速度