Fluent理论基础_传热模型

本篇章主要介绍Fluent传热模型的相关理论基础，只是一个大概的框架，内容相对较浅，主要针对流场分析刚涉及到热的新手用户，主要内容如下：

▉ 热交换简介

▉ 热传导

▉ 热对流

▉ 热辐射

▉ 相变

▉ 壁面热边界条件

▉ 壁面传热与网格

▉ 传热计算后处理

热交换的现象在自然界中普遍存在，主要包括热传导、热对流、热辐射和相变。

热传导：在介质中发生，由于温度梯度产生的热扩散，与原子和分子振动或电子运动有关。

热对流：流体流动导致热量交换。

热辐射：通过电磁波辐射产生热量交换。

相变：因相变而发生的热量交换，本质是发生相变时物质需要吸收或释放热量。

热传导：在介质中发生，由于温度梯度产生的热扩散，与原子和分子振动或电子运动有关。

◆当能量方程被激活时，材料属性会开启关于比热和热导率的设置，Fluent会在所有的流体和固体区域内计算热传导；

◆热传导由傅里叶定律决定，其指出传热率与温度梯度成正比；

◆传热量Q=-kΔT

✦其中k为热导率，是材料的一种属性；

✦k可能是温度、空间等的函数；

✦对于各向同性材料，k是一个常数；

✦对于各向异性材料，k是一个矩阵；

热对流：流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，即流体的移动会带走热量，又称对流传热。

◆热传递和流体运动相耦合；

◆能量方程激活时，流体中会计算热传导；

◆能量方程激活+流动方程激活➪求解对流传热；

◆对流传热速率很大程度上取决于流体速度；

◆流体性质可能随温度而发生显著变化；

◆壁面处的传热系数通过湍流热壁函数计算；

[注意]

◆热对流可以简要分为自然对流和强迫对流；

◆温度不均匀流体内部的密度会有所差异，在重力驱动下由密度差引起的流动，就是自然对流，如煮水时水的上下循环流动；

◆流体在外力影响下所发生的对流称为强迫对流，比如利用电风扇、泵等来强迫流体流动；

◆之前篇章Fluent关于电子芯片散热的案例的流动就是自然对流，常用来描述自然对流的方法有：

✦Boussinesq(布辛涅司克)模型，其假设密度与温度无关，即密度为定值，常在温差变化不大时使用；

✦Incompressible Idea Gas密度模型，即理想不可压缩气体模型，假设其密度与压力无关，密度与温度成反比；

热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。辐射传热就是通过电磁波辐射产生热量交换。

◆一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多；

◆热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播；

◆由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式；

-对于半透明物体(比如玻璃，燃烧产物气体)，辐射是体积现象，辐射可以从体内逸出；

-对于不透明的物体，辐射本质上一种表面现象，几乎所有的内部辐射都在体内被吸收；

Fluent中共有六个热辐射模型，如上图中所示，相较于热传导和热对流，热辐射更加复杂，使用时需要在_Model_Radiation中开启，新手对基本概念有一个基础认识即可。

◆当辐射热通量与热对流及热传导的传热速率相比，两者数量级相当时，应该考虑热辐射效应。

相变：因相变而发生的热量交换，本质是发生相变时物质需要吸收或释放热量。

◆当物质改变状态时，会释放或吸收热量；

◆相变有很多不同的形式，比如蒸发(Evaporation)、沸腾(Boiling)、融化(Melting)、凝固(Solidification)；

◆需要用多相模型或UDF来正确模拟这些现象；

当壁面只有一侧存在固体域或流体域时，这种well称为外部边界，当壁面的两侧均存在固体域或流体域时，这种well称为内部边界_

◆当壁面为内部边界时，其边界条件有Heat Flux(热通量)、Temperature(温度)和Couple(耦合)；

◆当壁面为外部边界时，其Thermal热边界条件有Heat Flux(恒定热通量)、Temperature(温度)、Convection(对流)、Radiation(辐射)、Mixed(混合)、Via System Coupling(通过系统耦合)、Via Mapped Interface(通过映射交界面)；

✦Convection(对流)：模拟外部环境的对流，用户需要定义换热系数；

✦Radiation(辐射)：模拟外部环境的辐射，用户需要定义内部发射率和辐射温度；

✦Mixed(混合)：对流和辐射边界的结合；

✦Via System Coupling(通过系统耦合)：当Fluent与Workbench中其他系统耦合时，可以使用；

[注意]_无论是外部边界还是内部边界，无论是哪种热边界条件，其热边界条件都包括Material Name(材料名称)、Well Thickness(壁面厚度)、Heat Generation Rate(热源功率)；

对壁面热效应的模拟可采用三种方法，有些方法需要对固体区域进行网格划分，有些则不需要_

◆方法1：对固体区域进行网格划分，在固体区域求解能量方程，使用耦合热边界条件计算，该方法最为精确；

◆方法2：采用薄壁模型，仅需要划分流体区域，不需要对固体区域划分网格，但需要指定壁面厚度以及一些其他参数，假定固体区域的厚度-温度分布是线性的，考虑壁面热传导，热传导仅在壁面法向方向上计算；

◆方法3：采用壳导热模型，不需要对固体区域划分网格，在方法2即薄壁模型的基础上通过勾选Shell Conduction开启，通过Edit创建一层或多层虚拟传导网格单元，并赋予其厚度和材料，热量可以沿壁面各个方向传递；

✦固体材料属性必须是常数，不能和温度有关；

✦采用壳导热模型会创建虚拟传导网格单元，但不能显示，也不能通过UDF获得；