八十二、Fluent辐射模型-DO辐射模型实例

传热是热量从高温物体传递到低温物体的过程，主要有三种方式：传导、对流和辐射。其中辐射是通过电磁波（主要是红外线）传递热量的过程，不需要介质即可进行。因此，辐射可以在真空中传递热量。

热辐射的强度与发射物体的温度的四次方成正比。因此，高温物体辐射出的热量更强。

本例模拟汽车车灯的换热问题，汽车的前灯由以下部件构成：如下图所示的灯泡，其灯丝Filament为热源，功率为40W，产生的热量一部分通过辐射传递，而其他部分则通过自然对流传递。灯泡Bulb采用玻璃材料制成，而透镜lens、灯罩housing和反射器reflctor则是用热塑性材料。

3.1 导入网格

使用Fluent软件打开Chapter82.msh网格文件，文件在本文末尾链接资源内。注意，本案例为3D模型，打开Fluent软件时需勾选3D

导入mesh文件后，点击Display，将显示模型

3.2 修改模型尺寸

本案例模型尺寸以m为单位，需要缩放1000倍变为以mm为单位。

打开Scale mesh，勾选Specify Scaling Factors，在Scaling Factors中的X、Y、Z都设置为0.001，表示模型缩放1000倍。单击Scale后，模型缩放。

Scale mesh详细操作可参考文章：Fluent 模型缩放Scale Mesh设置

3.3 求解器设置

此处保持默认设置即可。基于压力求解器，稳态设置，不勾选重力

4.1 能量方程

打开能量方程

4.2 湍流模型设置

本案例主要是传热，湍流方程选择层流laminar模型

4.3 辐射模型

打开辐射模型，勾选Discrete Ordinates(DO)辐射模拟，在Energy Iterations per Radiation Iteration 中输入1，在Theta Pixels和Phi Pixels中分别输入6，单击 OK 按钮确认

注：DO辐射模型介绍

适用于所有光学深度范围的辐射问题；既能求解S2S的无介质封闭区域问题，也能求解介质参与的辐射问题。适用于灰体、非灰体、漫反射、镜面反射以及半透明介质的辐射

Energy Iterations per Radiation Iteration：表示每多少个连续相迭代步更新一次辐射换热。默认情况下设置为10，即每10次迭代步更新一次辐射换热。增加这个数值可以加快计算过程，但可能会减慢整体收敛速度。

Theta Pixels and Phi Pixels：表示计算的精度，对于灰体辐射，默认值1*1足够了；但是对于涉及到对称面、周期性边界、镜面反射、半透明边界时，需设置为3*3；此值越大，计算速度越慢。

5.1 设置固体材料玻璃glass材料属性

在材料设置界面，在Solid下双击aluminum，打开固体材料设置界面。更改名字name为glass，化学式更改为glass。Material Type选择solid，输入下列表格中的属性参数后点击Change/Create，在弹出的对话框点击No，表示不覆盖原来的材料。

上面的步骤设置了新的材料glass物性参数

5.2 新建固体塑料材料polycarbonate

 按上面操作，新建固体塑料材料，材料属性如下图

5.3 新建固体涂层材料coating

按上面操作，新建固体涂层材料coating， 材料属性如下图： 

5.4 新建固体基座材料socket

按上面操作，新建固体基座材料socket，材料属性如下图：

5.5 设置空气物性

本例使用自然对流模拟，因此密度不能设置为常数。将密度设置为不可压缩理想气体。双击air，密度选择incompressible-ideal-gas

导热系数设置为多项式Polynomial，coefficients设置为4，coefficients四个参数分别为-2.0004e-03、1.1163e-04、-6.3191e-08和 2.1301e-11

本案例主要包括5个计算域，其中cell-reflector和cells-lens所使用的材料是塑料polycarbonate，cells-bulb-inside和cells-housing-air使用的材料是air，cells-bulb使用材料是glass

6.1 cell-reflector和cells-lens设置

双击上图中的cell-reflector，材料选择polycarbonate，勾选Participates In Radiation表示参与辐射换热

cells-lens采用相同的设置

6.2 cells-bulb-inside和cells-housing-air设置

双击上图中的cell-bulb-inside，材料选择air，勾选Participates In Radiation表示参与辐射换热

cells-housing-air采用相同的设置

6.3 cells-bulb设置

双击上图中的cells-bulb，材料选择glass，勾选Participates In Radiation表示参与辐射换热

 勾选重力，设置重力加速度为y方向-9.81

其他参数设置可以参考文章：六十四、Fluent操作温度及操作密度设置

边界条件主要包括透镜lens，灯泡bulb、反射器reflctor和灯丝filament，其中灯丝filament作为热源

8.1 透镜lens设置

lens-inner：双击lens-inner

Thermal选项保持默认设置即可，设置为coupled，这是因为lens-inner是流固交界面，和lens-inner-shadow是一对。其温度应该由相邻的流体和固体决定。

材料选择polycarbonate

对于Radiation选项，设置为半透明semi-transparent，设置散射系数为0.5。对于不透明表明，散射系数为1，对于全透明表明，散射系数为0。 

lens-inner-shadow：和lens-inner是一对，保持和lens-inner相同的设置，可以通过copy来直接复 制

lens-outer：材料选择polycarbonate，和环境接触的面.

Thermal选择Mixed，设置对流换热系数为8，环境温度为300K，外部环境的辐射温度也为300K，发射率为1

Raidation：设置为半透明semi-transparent，设置散射系数为0.5。其他保持默认

8.2灯泡bulb设置

bulb-outer、bulb-outer-shadow、bulb-inner和bulb-inner-shadow均保热边界条件是coupled，Radiation设置为半透明，散射系数设置为0.5

bulb-coatingsThermal勾选shell conduction，点击Edit后在Thickness设置为0.1。表示考虑壁面厚度换热。材料设置为coating。

对于Radiation设置，保持默认。

8.3反射器reflector设置

reflector-outer：对于Radiation设置，保持默认。

Thermal选择Mixed，换热系数设置为8，发射率为0.95

reflector-inner：Thermal保持默认，Radiation设置为不透明，内部发射率设置为0.95，散射系数设置为0.3

 reflector-inner-shadow：保持和reflector-inner相同的设置

8.4 灯丝filament

filament作为热源，设置Heat Flux为5760000W/m2。其他保持默认即可

9.1 求解方法

压力速度耦合选择Coupled,Pressure选择Body Force Weighted。勾选伪瞬态设置。伪瞬态设置可参考文章：四十三、Fluent增强收敛性-伪瞬态计算

9.2 求解控制

为了提高收敛性，将Pressure设置为0.3，Momentum设置为0.6，其他均设置为0.8

标准初始化，Initial Values保持默认，详细操作可参考文章：一文说清楚Fluent初始化操作(标准+混合初始化+Patch+UDF)

patch操作，将cells-bulb-inside计算域温度设置为500K，Variable选择Temperature，Value设置为500K，Zones to Patch选择cells-bulb-inside。单击Patch

Number of Iterations设置为1000

12.1 温度云图

12.2 速度矢量图