Fluent辐射传热模型理论以及相关设置.docx
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Fluent辐射传热模型理论以及相关设置
Fluent辐射传热模型理论以及相关设置
1概述
在传热的仿真中,有时候会不可避免的涉及到辐射传热,而我们对Fluent中辐射模型的了解甚少,很难得到可靠的计算结果。
因此,一直以来,Fluent中的带辐射的传热仿真是我们的一个难点,本专题重点来学习辐射模型的理论,让我们对辐射计算模型有一个深入的了解,以帮助我们攻克这个仿真难点。
2基础理论
2.1专业术语解释:
在Fluent中开启辐射模型时,流体介质以及固体壁面会出现一些专业的参数需要用户来设置.
在Fluenthelp中介绍辐射模型时会经常提到一些专业术语。
对这些专业参数以及术语,我们来一一解释:
1、Opticalthickness(光学深度,无量纲量):
介质层不透明性的量度.即介质吸收辐射的能力的量度,等于入射辐射强度与出射辐射强度之比。
设入射到吸收物质层的入射辐射强度为I,透射的辐射强度为e,则T=I/e,其中T为光学深度。
按照此定义,那介质完全透明,对辐射不吸收、也不散射,透射的辐射强度e=入射辐射强度I,即光学深度为T=1,介质不参与辐射。
—摘自XX百科
而FLUENT中T=αL,其中L为介质的特征长度,α为辐射削弱系数(可理解为介质因吸收和散射引起的光强削弱系数)。
如果T=0,说明介质不参与辐射,和XX百科中的定义有出入。
但是所表达的意思是接近的,一个是前后辐射量的比值;一个是变化量和入射辐射量的比值(根据Fluenthelp里的解释,经过介质的辐射损失量=I*T,个人理解,按照此定义,T不可能大于1啊,矛盾。
//TheoryGuide:
:
0//5。
HeatTransfer//5.3.ModelingRadiation//5.3.2。
RadiativeTransferEquation)。
该问题的解释为:
其实一点也不矛盾,如果Opticalthickness=1,就说明辐射在经过一定特征长度L的介质后被完全吸收。
如果〉1,就说明辐射根本穿透不了特征长度L的介质,而被早早吸收完了。
打个比方,Opticalthickness=10,说明辐射在经过L/10距离后已经被吸收(或散射)完。
其中α=αA+αS;
2、AbsorptionCoefficient(αA吸收系数,单位1/m,见图2-1):
因为介质吸收而导致的辐射强度在经过每单位长度介质后改变的量。
空气作为流体介质时,一般不吸收热辐射,该系数可近视设为0.而当气体中水蒸气和CO2含量较高时,那对辐射的系数就不能忽略了.
3、ScatteringCoefficient(αS散射系数,单位1/m):
因为介质散射而导致的辐射强度在经过每单位长度介质后改变的量。
空气作为流体介质时,一般情况下,该系数可近视设为0.对于含颗粒物的流体,散射作用不容忽视。
4、RefractiveIndex(折射系数,无量纲量):
介质中的光速和真空中的光速之比。
如是空气,可近视设为1(默认值).一般对于具有方向性的辐射源问题,比如LED发光或激光等光学传热问题,辐射在经过水以及玻璃等透明介质时,需要设置该参数。
一般情况,热辐射在计算域中是往各个方向辐射的,各项同性,没有方向性,该参数设为1即可.
图2-1介质的辐射相关参数设置
5、DiffuseReflection(漫反射):
辐射到不透明固体表面的能量,一部分被固体吸收,另一部分被反射,其中反射分为镜面反射和漫反射。
6、SpecularReflection(镜面反射):
7、InternalEmissivity(内部发射率):
处于计算域中的couplewall,solid和fluidzone或者solid和solidzone或者fluid和fluidzone之间的辐射率.
8、ExternalEmissivity(外部发射率):
处于计算边界上wall,外部环境和wall之间的辐射率.对于基于灰体辐射假设的计算,灰体辐射率不随波长变化,灰体辐射率=吸收率;
9、ThetaDivisionandPhiDivision:
设置为2,可作为初步估算;为了得到更为准确的结果,最少设置成3,甚至为5,Fluent13.0默认值为4。
10、ThetaPixelsandPhiPixels:
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;
2.2FLUENT辐射模型介绍:
Fluent中有五种辐射计算模型,各个模型的使用范围以及其优缺点分别为:
1、DTRM模型:
优势:
模型相对简单,可以通过增加射线数量来提高计算精度,适用于光学深度范围非常广的各种辐射问题。
限制:
1)模型假设所有面都是漫反射,意味着辐射的反射相对于入射角是各项同性的,无镜面反射。
2)忽略散射作用。
3)灰体辐射假设。
4)使用大数目射线求解问题,非常耗费CPU资源。
5)和非一致网格(non—conformalinterface)、滑移网格(slidingmesh)不能一起使用,不能用并行计算.
2、P1模型;:
优势:
相比DTRM模型,P1模型耗费自己资源更少,并且考虑了散射作用;对于光学深度较大的燃烧模型,P1模型更稳定。
P1模型使用曲线中uobiao比较容易处理复杂几何的辐射问题。
限制:
1)假设所有面都是漫反射,和DTRM相同。
2)使用与灰体和非灰体辐射问题。
3)如果光学深度很小时,模型计算精度取决于几何的复杂性。
4)对于局部热源以及散热片问题,该模型会夸大辐射传热量.
3、Rossland模型:
优势:
相对P1模型.它不求解额外的关于入射辐射的传输方程,因此比P1模型耗资源要少。
限制:
只能用于光学深度比较大的情况,推荐用于光学深度大于3的情况;不能用于密度求解器,只能用于压力求解器。
4、Surface-to-Surface(S2S)辐射模型;
优势:
非常适用于封闭空间中没有介质的辐射问题,(如航天器、太阳能搜集系统、辐射供热装置等);
限制:
1)所有面都是漫反射。
2)灰体辐射假设.
3)在表面增加时,耗费计算资源大幅增加。
4)不能用于介质参与的辐射问题(participatingradiation).
5)不能和周期性边界、对称边界、非一致网格交界面、网格自适应一起使用。
5、DO模型
优势:
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。
2.3辐射模型适用范围总结
DTRM和DO模型几乎可适用于所有光学深度问题,相比之下,DO模型的范围更广。
光学深度>1,可用P1和Rossland模型;而〉3时,Rossland模型比较合适.
对于光学深度〈1的问题,只能用DTRM和DO模型。
S2S适用于光学深度为0的问题,即流体介质不参与辐射的问题。
总结:
一般关于空气对流辐射的问题,属于光学深度=0的问题,因此可使用DTRM、S2S、DO模型,在ICEPAK解决辐射问题就有这三个模型的选项(在13.0版本中才加入DTRM和DO模型)。
3Fluent实际案例操作
从简单的2Dcase入手,在实际操作中真正搞清楚emissivity和absorptioncoefficient的含义,以及Fluent中solid和fluidzone之间的辐射传热机理。
3.1Case1—测试externalemissivity使用DO模型计算—2D模型
2D模型,直径2m,externalradiationtemperature400K,圆形为solid,恒温300K
图3—1温度场分布图
图3-2辐射换热设置
设置externalemissivity1,计算出外界对wall辐射传热功率为6230.3188W,根据理论公式计算:
Pra=5.67e-8*1*3。
14*2*(400^4—300^4)=6231W。
仿真结果和理论计算非常接近。
将externalemissivity设成0.5,计算出辐射传热功率为3114。
6W.改变internalemissivity的值,计算值不变。
从以上仿真结果可知:
1、2。
1小结的第八点externalemissivity的解释是正确的,辐射传热基于灰体假设,辐射系数等于吸收系数。
3.2Case2—测试internalemissivity—使用DO模型计算—2D模型
1)Solid(Al)—solid(Steel)-solid(Al)-case
图3-3从里到外Solid(Al)—solid(Steel)—solid(Al)
i)InternalsolidFixtemperature=400℃,externalradiationtemperature=300,externalemissivtiy=1;internalemissivtiy=1:
图3—4温度分布以及换热量
ii)internalemissivtiy=0:
图3-5温度分布以及换热量
从图4、5可知,上下两张图的温度分布非常相近,上图中温度稍高,而zone之间的换热量存在差异,将internalemissivity改为0,代表两个不同材料的zone之间辐射传热量为零,因此总传热量从5555W降低至5055W。
可知,Fluent中认为紧密相连的两个solidzone(存在couplewall)之间是存在辐射传热的(也可设置为无辐射传热),相当于实际情况中的两个物体的接触面,只不过在Fluent中未设置接触热阻。
总结:
实际情况中有接触热阻,有辐射传热;Fluent中无接触热阻,有辐射传热.用Fluent一般不进行涉及接触热阻细节的仿真。
2)Solid(Al)—fluid(air)-solid(Al),nogravity-case
i),externalemissivtiy=1;internalemissivtiy=1,fluid的absorptioncoefficient=0;
图3—6温度分布以及换热量
中心400K的solid往externalsolid的辐射传热功率为:
Pra=5.67e—8*1*3.14*1*(400^4—335^)=2315W,和fluentreprot值2333W(包含了空气热传导的功率)比较接近;
ii)internalemissivtiy=0,fluid的absorptioncoefficient=0;
图3—7温度分布以及换热量
将internalemissivtiy=0后,传热功率下降为21W,说明无辐射换热时,仅靠空气导热的传热功率非常小。
iii)Fluid和externalsolid之间的internalemissivtiy=1,fluid的absorptioncoefficient=1;
图3—8温度分布以及换热量
iv)Fluid和externalsolid之间的internalemissivtiy=0,fluid的absorptioncoefficient=1;
图3—9温度分布以及换热量
v)Fluid和externalsolid之间的internalemissivity=1,fluidabsorptioncoefficient=0,externalsolidabsorptioncoefficient=1,conductivity=0。
02;
vi)emissivity=1,fluidabsorptioncoefficient=0,externalsolidabsorptioncoefficient=10,conductivity=0。
02
图3-10温度分布以及换热量
图3-11温度分布以及换热量
3.3仿真结论
从以上仿真结果,可以得出以下结论:
1、2。
1小结的internalemissivity以及externalemissivity的解释是正确的。
2、air的absorptioncoefficient的默认值=0,代表air不吸收辐射,即不参与辐射。
3、solid的absorptioncoefficient的默认值=0,代表solid吸收辐射,并且absorptioncoefficient为无穷大,辐射被固体表面直接吸收。
辐射系数可设置.
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