Fluent辐射传热模型理论以及相关设置

CFD计算模型专题学习报告作者：LiboChenEmail：[e-mail]第1页共10页Fluent辐射传热模型理论以及相关设置目录1概述.................................................................................................................................................................22基础理论.........................................................................................................................................................22.1专业术语解释：.............................................................................................................................22.2FLUENT辐射模型介绍：.............................................................................................................32.3辐射模型适用范围总结.................................................................................................................43Fluent实际案例操作......................................................................................................................................53.1Case1-测试externalemissivity使用DO模型计算-2D模型......................................................53.2Case2-测试internalemissivity-使用DO模型计算-2D模型.......................................................63.3仿真结论.......................................................................................................................................10CFD计算模型专题学习报告作者：LiboChenEmail：[e-mail]第2页共10页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。—摘自百度百科而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，和百度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。CFD计算模型专题学习报告作者：LiboChenEmail：[e-mail]第3页共10页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。CFD计算模型专题学习报告作者：LiboChenEmail：[e-mail]第4页共10页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。CFD计算模型专题学习报告作者：LiboChenEmail：[e-mail]第5页共10页总结：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CFD计算模型专题学习报告作者：LiboChenEmail：[e-mail]第6页共10页收系数。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S