Fluent辐射传热模型理论以及相关设置.docx
Fluent 辐射传热模型理论以及相关设置目录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。基础理论专业术语解释：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Fluent help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、Optical thickness （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= a L ,其中L为介质的特征长度，a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Fluent help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。 Heat Transfer Modeling Radiation 5.3.2RadiativeTransfer Equation ）。 该问题的解释为：其实一点也不矛盾，如果Optical thickness =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， Optical thickness=10,说明辐射在 经过 L/10 距离后已经被吸收（或散射）完。其中 a = a A+ a S;2、Absorption Coefficient （ a A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00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、Scattering Coefficient （ a S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、Refractive Index （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、Diffuse Reflection （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、Specular Reflection （镜面反射）：7、Internal Emissivity （内部发射率）：处于计算域中的 couple wall, solid 和 fluid zone 或者 solid 和 solid zone 或者 fluid 和 fluid zone 之间的辐射率。8、 External Emissivity （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、 Theta Division and Phi Division ：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，默认值为 4。10、Theta Pixels and Phi Pixels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 ；FLUENT 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-conformal interface）、滑移网格（sliding mesh）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（participating radiation ）。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。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(在版本中才加入DTRM和DO模型)。Fluent实际案例操作从简单的2D case入手，在实际操作中真正搞清楚emissivity和absorption coefficient的含义，以及Fluent中solid和fluid zone之间的辐射传热机理。Case1测试external emissivity使用DO模型计算-2D模型2D 模型，直径 2m, external radiation temperature 400K 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external emissivity 1,计算出外界对wall辐射传热功率为，根据理论公式计算：Pra=*1*2* (400A4-300A4) =6231W。仿真结果和理论计算非常接近。将external emissivity设成，计算出辐射传热功率为。改变 internal emissivity的值，计 算值不变。从以上仿真结果可知：1、小结的第八点external emissivity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。Case2测试internal emissivity-使用DO模型计算-2D模型Internal emissivity1) Solid (Al) -solid (Steel) -solid (Al) -caseExternal、emissivity图 3-3 从里到外 Solid (Al) -solid (Steel) -solid (Al)i) Internal solid Fix temperature=400C , external radiation temperature=300 external emissivtiy=1 ； internal emissivtiy=1 :图3-4温度分布以及换热量ii) internal emissivtiy=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internal emissivity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solid zone(存在couple wall)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) , no gravity-casei) , external emissivtiy=1 ； internal emissivtiy=1, fluid 的 absorption coefficient"。； 图3-6温度分布以及换热量中心400K的solid往external solid的辐射传热功率为：Pra=*1*1* (400A4-335A) =2315W,和 fluent reprot值 2333W(包含了空气热传导的功 率)比较接近；ii) internal emissivtiy=0, fluid 的 absorption coefficient=0； 图3-7温度分布以及换热量将internal emissivtiy=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 external solid之间的 internal emissivtiy=1 ,fluid 的 absorption coefficients；图3-8温度分布以及换热量iv)Fluid 和 external solid之间的 internal emissivtiy=0,fluid 的 absorption coefficient/U I3 HCth223 m二它期3日今小二三方GlC二3 气卬工，柏加式jZ 3C <*3Zj 3 «*2_-置ydw (唠上2?1山"TC.4J5Z1Ee#q23 K ftilE| rwpuie | 恻"忖." do海3.ne<*3ZC D nt IiU借 口£1 父 t TtlTi£ £rSiiJ|-e (k)即W 301?AN5Y3 FUJ EHT110 Qd. pbrs. iin>-»a. e U LpuA P« are<w . |图3-9温度分布以及换热量v) Fluid 和 external solid 之间的 internal emissivity=1 , fluid absorption coefficient=0 , external solid absorption coefficients, conductivity=；vi) emissivity=1 , fluid absorption coefficient=0, external solid absorption coefficient=10, conductivity"图3-10温度分布以及换热量图3-11温度分布以及换热量仿真结论从以上仿真结果，可以得出以下结论：1、小结的 internal emissivity 以及 external emissivity 的解释是正确的。2、air的absorption coefficient的默认值=0,代表air不吸收辐射，即不参与辐射。3、solid 的 absorption coefficient 的默认值=0,代表 solid 吸收辐射，并且 absorption coefficient为无穷大，辐射被固体表面直接吸收。辐射系数可设置。
