FLUENT培训教材传热模型ppt课件.ppt

A Pera Global Company © PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材第六节：传热模型安世亚太科技〔北京〕A Pera Global Company © PERA China概要n能量方程n壁面边境条件n共轭传热n薄壁和双面壁n自然对流n辐射模型n报告-输出A Pera Global Company © PERA China能量方程n能量输运方程:n单位质量的能量 E :n对可紧缩性流体，或者密度基求解器，总是思索压力做功和动能对压力基求解器计算不可压流体，这些项被忽略，可以用下面的命令参与:ndefine/models/energy? ConductionSpeciesDiffusionViscousDissipationConductionUnsteadyEnthalpy Source/SinkA Pera Global Company © PERA China固体域的能量方程n能计算固体域的导热n能量方程:nh 显焓:n固体域的各向异性导热系数〔压力基求解器〕A Pera Global Company © PERA China壁面边境条件n五类热边境条件n热流量n温度n对流 – 模拟外部环境的对流〔用户定义换热系数〕n辐射 – 模拟外部环境的辐射〔用户定义外部发射率和辐射温度〕n混合 – 对流和辐射边境的n 结合.n壁面资料和厚度可以定义n为一维或壳导热计算A Pera Global Company © PERA China共轭传热nCHT固体域的导热和流体域的对流换热耦合n在流体/固体交界面运用耦合边境条件Coolant Flow Past Heated RodsGridVelocity VectorsTemperature ContoursA Pera Global Company © PERA China共轭传热例子Circuit board (externally cooled)k = 0.1 W/m∙Kh = 1.5 W/m2∙KT∞ = 298 KAir inletV = 0.5 m/sT = 298 KElectronic Component(one half is modeled)k = 1.0 W/m∙KHeat generation rate of 2 watts (each component)Top wall(externally cooled)h = 1.5 W/m2∙KT∞ = 298 KSymmetryPlanesAir outletA Pera Global Company © PERA China问题设置-热源n在固体域参与热源模拟电子部件的生成热A Pera Global Company © PERA China温度分布FlowdirectionConvection Boundary1.5 W/m2 K298 K free stream temp.Convection boundary1.5 W/m2 K298 K free stream tempFront ViewTop View(image mirrored about symmetry plane)Elect. Component(solid zone)2 Watts sourceBoard(solid zone)Air (fluid zone)298426410394378362346330314Temp.(ºF)FlowdirectionA Pera Global Company © PERA China替代的模拟战略n可替代的战略为模拟壁面为一有厚度面 (Thin Wall model).n这时，不需对固体域划分网格A Pera Global Company © PERA China对固体板划分网格 vs. 薄壁方法n对固体板划分网格n在固体域求解能量方程l.n板厚度需用网格离散n最准确的方法，但需求多计算网格n由于壁面两侧都有网格，总是运用耦合热边境条件Fluid zoneSolid zoneWall zone(with shadow)Wall thermal resistance directly accounted for in the Energy equation; Through-thickness temperature distribution is calculated.Bidirectional heat conduction is calculated.A Pera Global Company © PERA China对固体板划分网格 vs. 薄壁方法n薄壁方法n人工模型模拟壁面热阻n壁面需求必要的数据输入〔资料导热系数，厚度〕n只需对内部边境用耦合边境条件Fluid zoneWall zone(no shadow)Wall thermal resistance is calculated using artificial wall thickness and material type. Through-thickness temperature distribution is assumed to be linear.Conduction is only calculated in the wall-normal direction unless Shell Conduction is enabled.A Pera Global Company © PERA China壳导热模型n壳导热模型处置板内部的导热n求解器创建额外的导热单元，但不能显示，也不能经过UDF获得n固体属性必需是常数，不能和温度相关Static Temperature(cell value)Virtual conduction cellsA Pera Global Company © PERA China自然对流n当流体加热后密度变化时，发生自然对流n流动是由密度差引起的重力驱动的n有重力存在时，动量方程的压力梯度和体积力项重写为：:n其中A Pera Global Company © PERA China自然对流 –Boussinesq 模型nBoussinesq 模型假设流体密度是不变的，只是改动动量方程沿着重力方向的体积力n适用于密度变化小的情况 (例如，温度在小范围内变化).n对许多自然对流问题，Boussinesq 假设有更好的收敛性n常密度假设减少了非线性.n密度变化较小时适宜.n不能和有化学反响的组分输运方程同时运用.n封锁空间的自然对流问题n对稳态问题，必需运用 Boussinesq 模型.n非稳态问题，可以运用 Boussinesq 模型或者理想气体模型A Pera Global Company © PERA China自然对流的用户输入n在操作条件面板中定义重力加速度n定义密度模型nBoussinesq 模型n激活重力项.n设置操作温度 T0.n选择 Boussinesq 模型，输入密度值 ρ0.n设置热膨胀系数 β.n运用温度变化模型 (ideal gas, Aungier-Redlich-Kwong, polynomial):n设置操作密度或n让 FLUENT 从单元平均中计算 ρ0 A Pera Global Company © PERA China辐射n当和对流及导热换热相比， 量级相当时，应该思索辐射效应nσ ， Stefan-Boltzmann常数, 5.67×10-8 W/(m2·K4)n要思索辐射，需求解辐射强度输运方程RTEsn当地流体对辐射能的吸收，以及边境对辐射的吸收，把RTEs 和能量方程耦合起来n这些方程经常和流动方程分别求解，然而，他们也可以和流动耦合n辐射强度, I(r,s),和方向及空间是相关的nFLUENT中有五个辐射模型n离散坐标模型 (DOM)n离散传输辐射模型 (DTRM)nP1 模型nRosseland 模型lnSurface-to-Surface (S2S)A Pera Global Company © PERA China选择辐射模型n指南：n计算代价nP1 计算代价小，有合理的精度n精度nDTRM 和 DOM 最准确. n光学厚度nDTRM/DOM 适宜光学厚度小的模型 (αL << 1)nP1 适宜光学厚度大的模型.nS2S 适宜零厚度模型n散射n只需 P1 和 DO能思索散射 n颗粒辐射nP1 和 DOM 能思索气体和颗粒间的辐射换热n部分热源n适宜用DTRM/DOM 带足够数量的射线/坐标计算A Pera Global Company © PERA China附录A Pera Global Company © PERA China太阳辐射模型n太阳辐射模型n太阳辐射能量的射线追踪算法，和其他辐射模型兼容n允许并行计算〔但射线追踪算法不能并行〕n仅适用3Dn特点n太阳方向向量n太阳强度〔方向，散射〕n运用实际最大或气候条件计算方向和方向强度n瞬态情况n当方向向量是用太阳计算器算出的化，瞬态计算中太阳方向矢量会随时间改动n设置 “time steps per solar load update〞A Pera Global Company © PERA China能量方程源项 – 粘性耗散n粘性耗散引起的能量源项:n也称为粘性加热n对粘性剪切力大的流体〔如光滑油〕和高速可紧缩流动比较重要n经常忽略n缺省的压力基求解器不包括.n密度基求解器普通包括.n当 Brinkman 数接近或超越1时重要A Pera Global Company © PERA China能量方程源项 – 组分分散n多组分流中由于组分分散引起的能量源项：n包括了由于组分分散引起的焓输运效应n密度基求解器总包含n在压力基求解器中可以不显示此项A Pera Global Company © PERA China能量方程 – 源项n化学反响流中由于化学反响引起的能量源项n一切组分的生成焓n一切组分的体积生成率n由于辐射引起的能量源项n相间能量源项:n包括延续相和离散相间的传热nDPM, 喷雾, 颗粒…A Pera Global Company © PERA China薄壁中的温度分布n薄壁模型运用于法导游热，不生成实践的单元n壁面热边境条件运用于外层Thermal boundary condition on wallStatic temperature(cell value)Thin wall(no mesh)Wall temperature(outer surface)Wall temperature(inner surface)A Pera Global Company © PERA China薄壁和两侧壁面n薄壁方法中，壁面厚度不需划分网格n在两个区域之间模拟薄层的资料n求解器施加热阻 x/kn边境条件施加在外层面上Thermal boundary conditions are supplied on the inner surface of a thin wallExterior wall(user-specified thickness)Fluid or solid cellsOuter surface(calculated)Inner surface(thermal boundary condition specified here)Interior wall(user-specified thickness)Interior wall shadow(user-specified thickness)Thermal boundary conditions are supplied on the inner surfaces of uncoupled wall/shadow pairsFluid or solid cellsFluid or solid cellsA Pera Global Company © PERA China离散坐标模型AbsorptionEmissionScatteringn在有限的离散立体角度σs上求解辐射输运方程 :n优势:n守恒方法能保证粗的离散方式上实现热平衡n经过更密的离散方式能提高精度n最综合性的模型:n思索了散射、半透明介质、镜面以及波长相关的灰体模型n局限性: n求解大数量坐标耗费CPU过多A Pera Global Company © PERA China离散传输辐射模型 (DTRM)n主要的假设 – 特定范围角度的分开外表的辐射能用一束射线近似n运用射线跟踪技术，沿着每条射线积分辐射强度n优势:n相对简单的模型n添加射线数量能提高精度n适用大范围的光学厚度n局限性:n假设一切外表是漫射的. n不包括散射.n求解大数量的射线耗费CPU过多.A Pera Global Company © PERA ChinaP-1 模型n主要假设 – 对RTE积分后，和方向不再相关，导出入射辐射的分散方程n优势:n辐射传热方程更易求解，耗费资源少n包括散射效应n颗粒、液滴和烟灰的影响n对光学厚度大的运用〔如熄灭〕较合理n局限性:n假设一切面都是漫射的 n假设光学厚度小的话，能够导致精度损失〔取决于几何的复杂性〕n对部分热源或汇，预测的辐射热过高A Pera Global Company © PERA ChinaSurface-to-Surface (S2S) 辐射模型nS2S辐射模型用于模拟介质不参与的辐射n例如，太空飞船的排热系统、太阳能搜集系统、辐射加热器、汽车发动机舱散热等nS2S 是基于角系数的模型n假设没有介质参与n局限性: nS2S 模型假设一切面是散射的n假设是灰体辐射n随着外表数量的添加，存储和内存添加很快n可以运用面族来减少内存运用n面族不能和滑移网格及悬节点同时运用 n不能运用于周期性或对称边境条件A Pera Global Company © PERA China输出 – ANSYSn输出扩展名为 .rfl的 ANSYS 结果文件，读入到ANSYS的顺序为： n在 ANSYS中，到“ General Postproc Data〞及“ File Options〞，读入FLUENT生成的文件n到“ Results Summary 〞，点击第一行，能看到ANSYS_56_OUTPUT窗口显示的几何信息n在 ANSYS 输入窗口，键入下面的命令: nSET,FIRSTn/PREP7nET,1,142n最后一个命令对应 FLOTRAN 3D 单元，假设他运用二维计算，应改为：ET,1,141. n在 ANSYS MULTIPHYSICS UTITLITY 菜单，选择 Plot 及 Nodes 或Elements, 在 下拉窗口的Results中，选择包括节点A Pera Global Company © PERA China输出– ANSYS n经过 GUI 或 TUI输出ANSYS 文件n /file/export/ansys file-namen文件包括坐标、衔接关系及下面n 的标量：nDensity, viscositynX, Y, Z velocity, pressure, temperaturenTurbulence kinetic energy, turbulence dissipation rate, turbulent viscosity, effective viscositynThermal conductivity (laminar, turbulent, effective)nTotal pressure and temperature, pressure coefficient, Mach number, stream function, heat flux, heat transfer coefficient, wall shear stress, specific heatA Pera Global Company © PERA China输出 – ABAQUSn输出文件〔 file.aba〕包括坐标、衔接关系、选择的载荷、域组、速度、选择的标量等n只对三维模型有效，并且是固体域或固体域的外表n流体域的传热系数不可写出 n下面命令对做流固交界面分析有用 nfile/export/abaqus file-name list-of-surfaces () yes|no list-of-scalars qA Pera Global Company © PERA China输出其他格式 nNASTRAN/PATRANn对于 ABAQUS, NASTRAN, 和 PATRAN, 选择要写出的载荷 (Force, Temperature, and/or Heat Flux) 来分析构造应力 (fluid pressure or thermal) n假设没有选择面的话，载荷只在边境面上写出 FormatSupportedVersionAbaqus6.3ANSYS10ASCIIn/CGNS2NASTRAN2019PATRAN2019TECPLOT9A Pera Global Company © PERA China报告 – Heat Flux nHeat flux 报告:n建议检查热平衡以确n 保计算收敛n输出 Heat Flux 数据:n可以输出壁面的热通量数据n 〔包括辐射〕nfile/export/custom-heat-flux n文件格式: zone-name nfacesx_f y_f z_f A Q T_w T_c HTC…A Pera Global Company © PERA China报告 – 传热系数n基于壁面函数的传热系数n其中 cP 为比热, kP 是点P处湍动能, T* 无量纲温度:n只需湍流并且能量方程开关翻开时有用 谢谢peraglobalA Pera Global Company © PERA China。