----图文教程----
Fluent_理论基础
传热模型
-热传导-热对流-热辐射-相变-
01
前言
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
02
热交换简介
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。
03
热传导
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;
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热对流
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;
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热辐射
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。
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相变
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;
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壁面热边界条件
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);
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壁面传热和网格
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;
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传热计算后处理
传热计算完成后可查看热通量报告_
◆Total Heat Transfer Rate(总热传递速率):计算对流和辐射通量;
✦计算收敛时,Net Results(净热平衡)应该为0;
✦或与所有的外部能源相反;
◆Total Heat Transfer Rate(辐射热传递速率):仅计算辐射净通量;
✦该通量的总和一般不为0,它可以代表被介质吸收的能量的量;
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讨论
❖本篇章简要介绍了Fluent传热模型的相关理论基础,主要包括传热的几种形式,以及相关的Fluent传热模型,内容相对浅显,主要针对刚涉及热的新手用户;
❖本篇分享更偏向于知识整理,部分图片来源网格;
❖可能会存在理解偏差等问题,欢迎交流指正!
END