Fluent輻射傳熱模型理論以及相關(guān)設(shè)置

/Fluent輻射傳熱模型理論以與相關(guān)設(shè)置目錄1 概述 22 基礎(chǔ)理論 22.1 專業(yè)術(shù)語解釋： 22.2 FLUENT輻射模型介紹： 22.3 輻射模型適用范圍總結(jié) 23 Fluent實際案例操作 23.1 Case1-測試externalemissivity使用DO模型計算-2D模型 23.2 Case2-測試internalemissivity-使用DO模型計算-2D模型 23.3 仿真結(jié)論 2概述在傳熱的仿真中，有時候會不可避免的涉與到輻射傳熱，而我們對Fluent中輻射模型的了解甚少，很難得到可靠的計算結(jié)果。因此，一直以來，F(xiàn)luent中的帶輻射的傳熱仿真是我們的一個難點，本專題重點來學(xué)習(xí)輻射模型的理論，讓我們對輻射計算模型有一個深入的了解，以幫助我們攻克這個仿真難點。基礎(chǔ)理論專業(yè)術(shù)語解釋：在Fluent中開啟輻射模型時，流體介質(zhì)以與固體壁面會出現(xiàn)一些專業(yè)的參數(shù)需要用戶來設(shè)置。在Fluenthelp中介紹輻射模型時會經(jīng)常提到一些專業(yè)術(shù)語。對這些專業(yè)參數(shù)以與術(shù)語，我們來一一解釋：1、Opticalthickness（光學(xué)深度，無量綱量）：介質(zhì)層不透明性的量度。即介質(zhì)吸收輻射的能力的量度，等于入射輻射強(qiáng)度與出射輻射強(qiáng)度之比。設(shè)入射到吸收物質(zhì)層的入射輻射強(qiáng)度為I，透射的輻射強(qiáng)度為e，則T=I/e，其中T為光學(xué)深度。按照此定義，那介質(zhì)完全透明，對輻射不吸收、也不散射，透射的輻射強(qiáng)度e=入射輻射強(qiáng)度I，即光學(xué)深度為T=1，介質(zhì)不參與輻射?！园俣劝倏贫鳩LUENT中T=αL，其中L為介質(zhì)的特征長度，α為輻射削弱系數(shù)（可理解為介質(zhì)因吸收和散射引起的光強(qiáng)削弱系數(shù)）。如果T=0，說明介質(zhì)不參與輻射，和百度百科中的定義有出入。但是所表達(dá)的意思是接近的，一個是前后輻射量的比值；一個是變化量和入射輻射量的比值（根據(jù)Fluenthelp里的解釋，經(jīng)過介質(zhì)的輻射損失量=I*T，個人理解，按照此定義，T不可能大于1啊，矛盾。//TheoryGuide::0//5.HeatTransfer//5.3.ModelingRadiation//5.3.2.RadiativeTransferEquation）。該問題的解釋為：其實一點也不矛盾，如果Opticalthickness=1，就說明輻射在經(jīng)過一定特征長度L的介質(zhì)后被完全吸收。如果>1，就說明輻射根本穿透不了特征長度L的介質(zhì)，而被早早吸收完了。打個比方，Opticalthickness=10，說明輻射在經(jīng)過L/10距離后已經(jīng)被吸收（或散射）完。其中α=αA+αS；2、AbsorptionCoefficient（αA吸收系數(shù)，單位1/m，見圖2-1）：因為介質(zhì)吸收而導(dǎo)致的輻射強(qiáng)度在經(jīng)過每單位長度介質(zhì)后改變的量?？諝庾鳛榱黧w介質(zhì)時，一般不吸收熱輻射，該系數(shù)可近視設(shè)為0。而當(dāng)氣體中水蒸氣和CO2含量較高時，那對輻射的系數(shù)就不能忽略了。3、ScatteringCoefficient（αS散射系數(shù)，單位1/m）：因為介質(zhì)散射而導(dǎo)致的輻射強(qiáng)度在經(jīng)過每單位長度介質(zhì)后改變的量。空氣作為流體介質(zhì)時，一般情況下，該系數(shù)可近視設(shè)為0。對于含顆粒物的流體，散射作用不容忽視。4、RefractiveIndex（折射系數(shù)，無量綱量）：介質(zhì)中的光速和真空中的光速之比。如是空氣，可近視設(shè)為1（默認(rèn)值）。一般對于具有方向性的輻射源問題，比如LED發(fā)光或激光等光學(xué)傳熱問題，輻射在經(jīng)過水以與玻璃等透明介質(zhì)時，需要設(shè)置該參數(shù)。一般情況，熱輻射在計算域中是往各個方向輻射的，各項同性，沒有方向性，該參數(shù)設(shè)為1即可。圖2-1介質(zhì)的輻射相關(guān)參數(shù)設(shè)置5、DiffuseReflection（漫反射）：輻射到不透明固體表面的能量，一部分被固體吸收，另一部分被反射，其中反射分為鏡面反射和漫反射。6、SpecularReflection（鏡面反射）：7、InternalEmissivity（內(nèi)部發(fā)射率）：處于計算域中的couplewall，solid和fluidzone或者solid和solidzone或者fluid和fluidzone之間的輻射率。8、ExternalEmissivity（外部發(fā)射率）：處于計算邊界上wall，外部環(huán)境和wall之間的輻射率。對于基于灰體輻射假設(shè)的計算，灰體輻射率不隨波長變化，灰體輻射率=吸收率；9、ThetaDivisionandPhiDivision：設(shè)置為2，可作為初步估算；為了得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果，最少設(shè)置成3，甚至為5，F(xiàn)luent13.0默認(rèn)值為4。10、ThetaPixelsandPhiPixels：對于灰體輻射，默認(rèn)值1*1足夠了；但是對于涉與到對稱面、周期性邊界、鏡面反射、半透明邊界時，需設(shè)置為3*3；FLUENT輻射模型介紹：Fluent中有五種輻射計算模型，各個模型的使用范圍以與其優(yōu)缺點分別為：1、DTRM模型：優(yōu)勢：模型相對簡單，可以通過增加射線數(shù)量來提高計算精度，適用于光學(xué)深度范圍非常廣的各種輻射問題。限制：1）模型假設(shè)所有面都是漫反射，意味著輻射的反射相對于入射角是各項同性的，無鏡面反射。2）忽略散射作用。3）灰體輻射假設(shè)。4）使用大數(shù)目射線求解問題，非常耗費CPU資源。5）和非一致網(wǎng)格（non-conformalinterface）、滑移網(wǎng)格（slidingmesh）不能一起使用，不能用并行計算。2、P1模型；：優(yōu)勢：相比DTRM模型，P1模型耗費自己資源更少，并且考慮了散射作用；對于光學(xué)深度較大的燃燒模型，P1模型更穩(wěn)定。P1模型使用曲線中uobiao比較容易處理復(fù)雜幾何的輻射問題。限制：1）假設(shè)所有面都是漫反射，和DTRM相同。2）使用與灰體和非灰體輻射問題。3）如果光學(xué)深度很小時，模型計算精度取決于幾何的復(fù)雜性。4）對于局部熱源以與散熱片問題，該模型會夸大輻射傳熱量。3、Rossland模型：優(yōu)勢：相對P1模型。它不求解額外的關(guān)于入射輻射的傳輸方程，因此比P1模型耗資源要少。限制：只能用于光學(xué)深度比較大的情況，推薦用于光學(xué)深度大于3的情況；不能用于密度求解器，只能用于壓力求解器。4、Surface-to-Surface（S2S）輻射模型；優(yōu)勢：非常適用于封閉空間中沒有介質(zhì)的輻射問題，（如航天器、太陽能搜集系統(tǒng)、輻射供熱裝置等）；限制：1）所有面都是漫反射。2）灰體輻射假設(shè)。3）在表面增加時，耗費計算資源大幅增加。4）不能用于介質(zhì)參與的輻射問題（participatingradiation）。5）不能和周期性邊界、對稱邊界、非一致網(wǎng)格交界面、網(wǎng)格自適應(yīng)一起使用。5、DO模型優(yōu)勢：適用于所有光學(xué)深度范圍的輻射問題；既能求解S2S的無介質(zhì)封閉區(qū)域問題，也能求解介質(zhì)參與的輻射問題。適用于灰體、非灰體、漫反射、鏡面反射以與半透明介質(zhì)的輻射。輻射模型適用范圍總結(jié)DTRM和DO模型幾乎可適用于所有光學(xué)深度問題，相比之下，DO模型的范圍更廣。光學(xué)深度>1，可用P1和Rossland模型；而>3時，Rossland模型比較合適。對于光學(xué)深度<1的問題，只能用DTRM和DO模型。S2S適用于光學(xué)深度為0的問題，即流體介質(zhì)不參與輻射的問題?？偨Y(jié)：一般關(guān)于空氣對流輻射的問題，屬于光學(xué)深度=0的問題，因此可使用DTRM、S2S、DO模型，在ICEPAK解決輻射問題就有這三個模型的選項（在13.0版本中才加入DTRM和DO模型）。Fluent實際案例操作從簡單的2Dcase入手，在實際操作中真正搞清楚emissivity和absorptioncoefficient的含義，以與Fluent中solid和fluidzone之間的輻射傳熱機(jī)理。Case1-測試externalemissivity使用DO模型計算-2D模型2D模型，直徑2m，externalradiationtemperature400K，圓形為solid，恒溫300K圖3-1溫度場分布圖圖3-2輻射換熱設(shè)置設(shè)置externalemissivity1，計算出外界對wall輻射傳熱功率為6230.3188W，根據(jù)理論公式計算：Pra=5.67e-8*1*3.14*2*（400^4-300^4）=6231W。仿真結(jié)果和理論計算非常接近。將externalemissivity設(shè)成0.5，計算出輻射傳熱功率為3114.6W。改變internalemissivity的值，計算值不變。從以上仿真結(jié)果可知：1、2.1小結(jié)的第八點externalemissivity的解釋是正確的，輻射傳熱基于灰體假設(shè)，輻射系數(shù)等于吸收系數(shù)。Case2-測試internalemissivity-使用DO模型計算-2D模型1）Solid（Al）-solid（Steel）-solid（Al）-caseExternalemissivityInternalemissivityExternalemissivityInternalemissivity圖3-3從里到外Solid（Al）-solid（Steel）-solid（Al）i）InternalsolidFixtemperature=400℃，externalradiationtemperature=300，externalemissivtiy=1；internalemissivtiy=1：圖3-4溫度分布以與換熱量ii）internalemissivtiy=0：圖3-5溫度分布以與換熱量從圖4、5可知，上下兩張圖的溫度分布非常相近，上圖中溫度稍高，而zone之間的換熱量存在差異，將internalemissivity改為0，代表兩個不同材料的zone之間輻射傳熱量為零，因此總傳熱量從5555W降低至5055W?？芍現(xiàn)luent中認(rèn)為緊密相連的兩個solidzone（存在couplewall）之間是存在輻射傳熱的（也可設(shè)置為無輻射傳熱），相當(dāng)于實際情況中的兩個物體的接觸面，只不過在Fluent中未設(shè)置接觸熱阻?？偨Y(jié)：實際情況中有接觸熱阻，有輻射傳熱；Fluent中無接觸熱阻，有輻射傳熱。用Fluent一般不進(jìn)行涉與接觸熱阻細(xì)節(jié)的仿真。2）Solid（Al）-fluid（air）-solid（Al），nogravity-casei），externalemissivtiy=1；internalemissivtiy=1，fluid的absorptioncoefficient=0；圖3-6溫度分布以與換熱量中心400K的solid往externalsolid的輻射傳熱功率為：Pra=5.67e-8*1*3.14*1*（400^4-335^）=2315W，和fluentreprot值2333W(包含了空氣熱傳導(dǎo)的功率)比較接近；ii）internalemissivtiy=0，fluid的absorptioncoefficient=0；圖3-7溫度分布以與換熱量將internalemissivtiy=0后，傳熱功率下降為21W，說明無輻射換熱時，僅靠空氣導(dǎo)熱的傳熱功率非常小。iii）Fluid和externalsolid之間的internalemissivtiy=1，fluid的absorptioncoefficient=1；圖3-8溫度分布以與換熱量iv）Fluid和externalsolid之間的internalemissivtiy=0，fluid的absorptioncoefficient=1；圖3-9溫度分布以與換熱量v）Fluid和externalsolid之間的internalemissivity=1，fluidabsorptioncoefficient=0，externalsolidabsorptioncoefficient=1，conductivity=0.02；vi）emissivity=1，fluidabsorptioncoefficient=0，externalsolidabsorptioncoefficient=10，conduct