2021年Fluent辐射传热模型理论以及相关设置.docx

欧阳光明*创编 2021.03.07Fluent辐射传热模型理论以及相关设欧阳光明(2021.03.07)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：22.3辐射模型适用范围总结23Fluent实际案例操作23.1Casel-测试 external emissivity 使用 DO 模型计算-2D 模型 23.2Case2-测试 internal emissivity-使用 DO 模型计算-2D 模型 23.3 仿 真 结 论 21 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 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=aL，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 // Theory Guide :: 0 // 5. Heat Transfer // 5.3. Modeling Radiation // 5.3.2. Radiative Transfer 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=aA+aS；2、 Absorption Coefficient （aA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、 Scattering Coefficient （aS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，Fluent13.0默认值为410、 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；2.2 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）3 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。

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 300KwlDurs nrsiak lempEMlure^lSjOZiqHK:3DO«r (JU3SjKirHK图 3-1 温度场分布图屹询MTi TTmd I RdCtoon 5LCWS OPH I Mufc仙越 UCI5 |ITwraiCahdltlcfis：OfiMtrluK 0TAmpfiratLra 0LC4iV«l：iC4i QFjdHtnri Owc^dEiternai E曲 皿昨External F:»±3ltKin lenflcriaLurfl1「丄审TErr朽热炸不(EU_JH&sJt 'oenef A>:<1 Rjte-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人4-300人4) =6231W。

仿真结果和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 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3.2 Case2-测试 internal emissivity-使用 DO 模型计算-2D 模型1 ) Solid( Al) -solid( Steel) -solid( Al) -caseInternal emissivityExternal emissivity图 3-3 从里到外 Solid( Al) -solid( Steel) -solid( Al)i) Internal solid Fix temperature=400°C, external radiation temperature=300, external emissivtiy=1；internalemissivtiy=1：4 a*工3审曰旦3.Q2*+£H3.'31*KI2399102 3^7*+Cr23.SB*HJ23.94*+0Z3ja3*+£K3.31^+OZ350e+(J23.7H**023.77tKI23.75*+Cr23.73«*O13.7Z*+0Z3.70et&2=3Q 口 sOZFins RrportsCf3dar£iJJp」tP=vnmtfy, J閃U「gr|站:antQurE： DTStaticTemneralure (k)Apr 3D, 2012msrs fluent 13.0(2d. pbns. lam)图 3-4 温度分布以及换热量ii)internal emissivtiy=0：4.an«*oi3.9Bt*0Z3.35t+OZ33*02Wlt+OZ3.30t+oz3ja7*+£H2j8n*:t 嗣阳oz 3.33*+0Z3j8D«*fll3。