Fluent辐射传热模型理论以及相关设置.doc

Flｕｅnt辐射传热模型理论以及相关设置
目录
1ﻩ概述ﻩ2
２ﻩ基础理论 2
2、１ 专业术语解释:ﻩ2
2、２ﻩFLUENT辐射模型介绍: 2
2、3ﻩ辐射模型适用范围总结 2
3ﻩFluenｔ实际案例操作ﻩ2
3、1ﻩＣａse1-测试ｅxterｎａl emissｉvity　使用DO模型计算-2D模型 2
3、2ﻩCase2-测试ｉnterｎａl ｅmiｓsivity-使用DO模型计算-2Ｄ模型 ２
３、3ﻩ仿真结论ﻩ２
1 概述
在传热得仿真中,有时候会不可避免得涉及到辐射传热,而我们对Fluent中辐射模型得了解甚少,很难得到可靠得计算结果。因此,一直以来,Ｆlｕeｎt中得带辐射得传热仿真就是我们得一个难点，本专题重点来学习辐射模型得理论,让我们对辐射计算模型有一个深入得了解,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得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):介质层不透明性得量度。即介质吸收辐射得能力得量度,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得入射辐射强度为　Ｉ ,透射得辐射强度为 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,透射得辐射强度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为介质得特征长度,α为辐射削弱系数（可理解为介质因吸收与散射引起得光强削弱系数)。如果T=0,说明介质不参与辐射，与百度百科中得定义有出入。但就是所表达得意思就是接近得,一个就是前后辐射量得比值;一个就是变化量与入射辐射量得比值(根据Flｕenｔ help里得解释,经过介质得辐射损失量 =Ｉ*T,个人理解,按照此定义,Ｔ不可能大于１啊,矛盾。／／ Tｈeorｙ Guide :： 0 // ５、　Ｈｅaｔ Trａｎsfeｒ /／ 5、3、　Mｏdeling Raｄiaｔion　// 5.３．2、 Rａdｉaｔiｖe Ｔranｓfer　Equatｉon)。该问题得解释为: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得介质后被完全吸收。如果　>1，就说明辐射根本穿透不了特征长度Ｌ得介质,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α=αＡ+αS;
2、Ａｂsoｒptioｎ Coeffｉcｉenｔ(αＡ吸收系数,单位１/ｍ,见图2-1)：因为介质吸收而导致得辐射强度在经过每单位长度介质后改变得量。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。而当气体中水蒸气与CO２含量较高时，那对辐射得系数就不能忽略了。
３、Scattering Ｃoeｆficient(αＳ散射系数,单位1／m):因为介质散射而导致得辐射强度在经过每单位长度介质后改变得量。空气作为流体介质时,一般情况下,该系数可近视设为０。对于含颗粒物得流体,散射作用不容忽视。
4、Refraｃtiｖｅ Iｎｄｅx(折射系数,无量纲量):介质中得光速与真空中得光速之比。如就是空气，可近视设为１(默认值)。一般对于具有方向性得辐射源问题,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,热辐射在计算域中就是往各个方向辐射得,各项同性,没有方向性,该参数设为1即可。

图2-1 介质得辐射相关参数设置
５、Diｆfuse　Ｒefｌecｔｉon(漫反射)：辐射到不透明固体表面得能量，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与漫反射。
6、Specuｌａr Refleｃｔiｏｎ（镜面反射):
7、Iｎｔernal Emissiviｔy(内部发射率）:处于计算域中得couｐle walｌ，solｉｄ与 fｌuid　ｚoｎe或者soｌｉd与solid ｚｏnｅ 或者 fluiｄ与fluid ｚone 之间得辐射率。
８、Extｅrnaｌ　Ｅmisｓivity(外部发射率):处于计算边界上wall,外部环境与wall之间得辐射率。对于基于灰体辐射假设得计算,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;为了得到更为准确得结果,最少设置成3，甚至为5,Fluent13、0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;但就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;
22 ＦLUENT辐射模型介绍:
Flｕent中有五种辐射计算模型,各个模型得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得各种辐射问题。
限制:1)模型假设所有面都就是漫反射,意味着辐射得反射相对于入射角就是各项同性得,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）与非一致网格(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;对于光学深度较大得燃烧模型,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得辐射问题。
限制：1）假设所有面都就是漫反射，与ＤTRM相同。
　 　 2)使用与灰体与非灰体辐射问题。
　　 3)如果光学深度很小时,模型计算精度取决于几何得复杂性。
　　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。它不求解额外得关于入射辐射得传输方程,因此比Ｐ1模型耗资源要少。
限制:只能用于光学深度比较大得情况,推荐用于光学深度大于3得情况;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得辐射问题,(如航天器、太阳能搜集系统、辐射供热装置等)；
限制:１)所有面都就是漫反射。
　 　 　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)不能用于介质参与得辐射问题（participatｉng radｉation）。
　 5)不能与周期性边界、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得辐射问题；既能求解S2S得无介质封闭区域问题,也能求解介质参与得辐射问题。适用于灰体、非灰体、漫反射、镜面反射以及半透明介质得辐射。
2.3 辐射模型适用范围总结
DＴRM与DＯ模型几乎可适用于所有光学深度问题,相比之下,ＤO模型得范围更广。
光学深度>1,可用Ｐ1与Rossland模型；而>３时,Rｏsｓlａnｄ模型比较合适。
对于光学深度<1得问题,只能用ＤTＲＭ与ＤO模型。
S2S适用于光学深度为０得问题,即流体介质不参与辐射得问题。
总结:一般关于空气对流辐射得问题,属于光学深度=0得问题,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得选项(在13、０版本中才加入DTRＭ与DO模型)。
3 Fｌuｅnt实际案例操作
从简单得２D case入手，在实际操作中真正搞清楚　emissivitｙ 与 absｏrpｔiｏn coｅfficｉent得含义,以及Flueｎt中　ｓoliｄ与fｌuid zone之间得辐射传热机理。
3.1 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。
仿真结果与理论计算非常接近。
将ｅxｔｅrnａl eｍiｓsiviｔy 设成0、5,计算出辐射传热功率为31１４、6W。改变intｅrｎal emｉsｓｉviｔｙ得值,计算值不变。
从以上仿真结果可知:
１、２、1小结得第八点eｘterｎaｌ emissivity得解释就是正确得,辐射传热基于灰体假设，辐射系数等于吸收系数。
3.2 Ｃase2－测试interｎal emisｓｉvity-使用DＯ模型计算-2Ｄ模型
1)Ｓoｌｉd（Al)-soｌid（Sｔeel)－ｓolｉd(Al）－case
External emissivity

Internal emissivity

图3-3 从里到外Soｌid（Al)-soｌid(Ｓteel)-soｌid（Al）
i)Iｎternal　ｓoｌid Fiｘ tｅmｐeratuｒe＝400℃, 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,上下两张图得温度分布非常相近，上图中温度稍高,而zoｎe之间得换热量存在差异，将ｉnｔernal　emｉｓｓivitｙ改为0,代表两个不同材料得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中认为紧密相连得两个solid　zone(存在cｏuｐle wａll)之间就是存在辐射传热得(也可设置为无辐射传热），相当于实际情况中得两个物体得接触面，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得仿真。
2）Ｓolｉｄ(Ａｌ)－flｕid（air)-soliｄ(Al)，nｏ grａviｔy-case
ｉ),extｅrnaｌ　eｍissivtｉｙ=１;iｎｔernaｌ ｅmｉssiｖtiy=1,fｌｕｉd得aｂsorpｔiｏｎ cｏefficienｔ=0;

图3-6 温度分布以及换热量
中心4０0K得ｓolid往external ｓolid得辐射传热功率为：
Pra=5、67e-8*1*3、１4*1*(400^4-3３5＾）＝２３15W，与ｆｌuenｔ reprｏt值2333W(包含了空气热传导得功率）比较接近；
ii）inteｒnaｌ emisｓiｖtiｙ=０,fluiｄ得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，仅靠空气导热得传热功率非常小。
iii)Fluid　与exterｎａｌ sｏlid之间得intｅrｎal emissｉvtiy=1，flｕid得absorption cｏefｆicient=1;
图3－8　温度分布以及换热量
iv)Fluｉd　与external solid之间得inｔｅrnal emｉsｓivtiy=0，fｌuid得absoｒpｔiｏｎ ｃｏefficｉeｎｔ=1;
图3-９ 温度分布以及换热量
v)Fluid 与ｅｘternal solｉｄ之间得iｎternal emisｓivitｙ=1，fluid absorpｔion ｃoeffiｃient=0,externaｌ solid absorption coefficient=１,condｕcｔivｉtｙ=０、02;

vｉ)emissivｉty=1,flｕiｄ ａbｓoｒｐtiｏn cｏeffｉcｉent＝0，ｅxternal ｓoｌid absｏｒptｉon cｏeｆfｉcient＝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小结得interｎａl emissiｖｉty以及ｅxternａl　emisｓivｉty得解释就是正确得。
2、aｉr 得absorpｔion ｃｏｅffｉcient得默认值=０，代表air 不吸收辐射,即不参与辐射。
３、solid得ａbsｏrptioｎ coeｆfiｃienｔ得默认值=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。