|
ANSYS Fluent 在熱分析中的使用介紹 湃�？萍� 1. 基本概念： 熱能的傳遞有三種基本的方式：熱傳導，熱對流，熱輻射 1.1 熱傳導 物體各部分之間不發(fā)生相對位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀(guān)粒子的熱運動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞稱(chēng)為熱傳導。導熱的基本定率被總結為傅立葉定率： 其中， Φ為熱流量，單位為 W， λ為導熱系數，單位為W/(m·K） ，Α 為面積， Τ為溫度。 一般而言，氣體的導熱系數值約在0.006~0.6 之間，其值隨著(zhù)溫度的升高而增大。液體的導熱系數約在0.07~0.7 之間，除了水和某些水溶液及甘油外，絕大多數液體的導熱系數會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而減小。 1.2 熱對流 由于流體的宏觀(guān)運動(dòng)而引起民的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞過(guò)程稱(chēng)為熱對流。需要說(shuō)明的是熱對流只能發(fā)生在流體當中，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著(zhù)不規則的熱運動(dòng)，因而熱對流必然伴隨著(zhù)熱傳導。工程中感興趣的是流體流對一個(gè)物體表面時(shí)流體與物體表面之間的熱量傳遞過(guò)程，我們稱(chēng)之為對流傳熱，以區別于一般意義上的熱對流。實(shí)際上，我們平時(shí)所說(shuō)的熱對流也指這種情況。根據引起流動(dòng)的原因來(lái)劃分，對流傳熱可以區分為自然對流和強制對流兩大類(lèi)。對流傳熱的基本計算公式為牛頓冷卻公式： 其中， 為表面傳熱系數，也被稱(chēng)為對流換熱系數，單位為 W/(㎡·K）。 1.3 熱輻射 物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的現象我們稱(chēng)之為熱輻射。理論上講，只要物體的溫度高于絕對零度（0 K），物體就會(huì )不斷的把熱能變?yōu)檩椛淠�，向外發(fā)出熱輻射。熱輻射的基本計算公式為斯忒藩-玻耳茲曼定律，又稱(chēng)為四次方定律： 其中， 為物體的發(fā)射率，也稱(chēng)為黑度，其值總小于1， 為斯忒藩-玻耳茲曼常量，它是個(gè)自然常數，其值為5.67e-08W/(㎡·K4） ， T為熱力學(xué)溫度，單位 K。 以上為三種基本傳熱方式的介紹，在實(shí)際問(wèn)題中，這些方式往往不是單獨出現的，很可能是多種傳熱方式的組合形式。 2. 導熱問(wèn)題的三大類(lèi)邊界條件 1) 規定了邊界上的溫度值，稱(chēng)為第一類(lèi)邊界條件，也稱(chēng)為Dirichlet條件。此類(lèi)條件最簡(jiǎn)單的例子就是規定邊界的溫度為常數。 2) 規定了邊界上的熱流密度值，稱(chēng)為第二類(lèi)邊界條件，也稱(chēng)為Neumann條件。此類(lèi)條件最簡(jiǎn)單的例子就是規定邊界上的熱流密度為常數。 3) 規定了邊界上物體與周?chē)黧w間的表面傳熱系數及周?chē)黧w的溫度，稱(chēng)為第三類(lèi)邊界條件，也稱(chēng)為Robin條件。 此外，在處理復雜的實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)，我們還會(huì )遇到輻射邊界條件，即物體表面與外界環(huán)境之間只發(fā)生輻射換熱，如航天器上的發(fā)熱元件向太空的散熱。 2.1 Fluent中熱邊界的設置 在Wall設置中的Thermal選項卡中，前三種Heat Flux，Temperature，Convection分別對應前面所說(shuō)的第二類(lèi)，第一類(lèi)及第三類(lèi)邊界條件。Radiation為輻射邊界條件，Mixed為混合邊界條件。默認情況下壁面為絕熱，即通過(guò)壁面的熱流量為0。值得一提的是，當計算當中存在共軛傳熱問(wèn)題時(shí)，導入網(wǎng)格時(shí)，Fluent會(huì )自動(dòng)為共軛傳熱交界面生成shadow面，如圖 2所示，一般情況下，此類(lèi)壁面我們不需要進(jìn)行額外設置。 圖 2 耦合壁面 在Heat Flux選項中，需要設置通過(guò)壁面的熱流密度及壁面發(fā)熱功率（默認壁面不發(fā)熱，即發(fā)熱功率設為0），如圖 3所示。 圖 3 第二類(lèi)邊界條件設置面板 在Temperature選項中需要設置壁面的溫度，其它設置與Heat Flux選項一樣，如圖 4所示。 圖 4第一類(lèi)邊界條件設置面板 在Convection選項中，需要設置對流換熱系數及外界溫度，其它設置與Heat Flux選項一樣，如圖 5所示 圖 5第三類(lèi)邊界條件設置面板 在Radiation選項中需要設置壁面的發(fā)射率及外界溫度，其它設置與Heat Flux選項一樣，如圖 6所示。 圖 6 輻射邊界條件的設置 在Mixed選項中需要同時(shí)指定壁面的表面換熱系數、發(fā)射率、外界對流換熱溫度及外界輻射溫度，如圖 7所示 圖 7 混合邊界條件的設置 3. 不同傳熱方式的計算設置 3.1 熱傳導問(wèn)題的設置 在工程計算中，傳熱導的問(wèn)題通常會(huì )以熱阻設置的情況呈現，熱阻的定義為： 為壁面厚度， 為導熱系數， 為面積。 在Fluent中，處理這種問(wèn)題有三種方法： 1) 設置一個(gè)有厚度的薄壁，并為其劃分網(wǎng)格，設置材料通過(guò)求解器來(lái)計算熱阻的值。這種方法可以考慮到各個(gè)方向上的熱量傳遞過(guò)程，但這種做法往往會(huì )伴隨的大量的網(wǎng)格數量增加。 圖 8 薄壁網(wǎng)格示意圖 2) 為壁面設置一個(gè)虛擬厚度。幾何模型中不體現其厚度，因而劃分網(wǎng)格時(shí)也僅以0厚度壁面存在，導入Fluent中后，在壁面設置中為其設置一個(gè)虛擬的厚度。這種做法可以在考慮熱阻的同時(shí)大幅降低網(wǎng)格數量，但這種做法只能考慮到垂直于壁面方向的熱量傳遞過(guò)程。在Fluent中，我們可以通過(guò)指定材料屬性，壁面厚度來(lái)考慮薄壁熱阻對傳熱的影響，如圖 10所示。 圖 9 虛擬壁面厚度網(wǎng)格示意圖 圖 10 Fluent中設置以設置壁面厚度的方式考慮熱阻 3) 設置Shell Conduction，這種方法類(lèi)似于方法2，但可以考慮到各個(gè)方向上的熱量傳遞。同時(shí)可以指定多層不同材料的薄壁，如圖 12所示。這種做法在一些工程應用上能夠在保證精度的前提下，大大降低網(wǎng)格劃分的難度及數量。 圖 11 Shell conduction網(wǎng)格示意圖 圖 12 Fluent 中Shell Conduction設置 由于方法3的優(yōu)越性，在很多計算中都會(huì )采用這種方式來(lái)處理一些薄壁結構。在Fluent17.0及以后的版本當中，我們可以通過(guò)Shell Conduction Manager來(lái)批量的管理和設置Shell Conduction 。對于大量Shell Conduction的設置，我們還可以通過(guò)讀寫(xiě)csv文件來(lái)實(shí)現。 3.2 熱對流問(wèn)題的設置 3.2.1 強制對流設置 在強制對流計算中，一般需要打開(kāi)湍流模型面板并選取合適的湍流模型。在一般的計算當中，推薦使用Realizable 或SST 模型。 3.2.2 自然對流設置 我們知道，一般情況下，在流體計算中是以雷諾數大小來(lái)判斷流動(dòng)是否為湍流。但在自然對流中，我們不再以雷諾數的大小為判斷依據，取而代之的是瑞利數： 其中， 為膨脹系數， 為重力加速度， 為特征長(cháng)度， 為溫度差， 為運動(dòng)粘度， 為熱擴散率。一般認為，當瑞利數大于10e9時(shí)，流動(dòng)為湍流，此時(shí)需要打開(kāi)相應的湍流模型。 與一般計算不同，自然對流計算中有一些特別的設置。 1) 由于自然對流是由于重力場(chǎng)下密度的變化所引起的，因此在計算中需要打開(kāi)重力項，并設置其大小和方向。 圖 13 打開(kāi)重力項 2) 數值離散格式。自對流中壓力離散格式需要使用Body Force Weighted或PRESTO!。采用默認的二階格式會(huì )出現非物理現象的錯誤結果。 圖 14 選擇離散格式 3) 參考密度的設置。在自然對流的計算中需要打開(kāi)重力項并設置重力加速度的方向及大小。勾上Operating Density選項，可以增加計算的穩定性。 圖 15 設置參考密度 4) 密度的設置。在自然對流中，由于流體的流動(dòng)是由于密度變化引起的，因此在材料屬性中需要對相關(guān)屬性進(jìn)行設置。對于氣體而言，密度設置可以選擇Boussinesq假設或不可壓理想氣體模型。對于液體而言，只能選擇Boussinesq假設。對于封閉區域的自然對流計算需要使用Boussinesq假設。Boussinesq模型假設在動(dòng)量方程中，除了體積力項之外，其它各項的密度為常數。需要注意的是Boussinesq假設只能用在密度變化小于20%的情況下。打開(kāi)Boussinesq需要在密度設置中選擇boussinesq，并設定參考密度，同時(shí)需要設置流體膨脹系數，一般而言，氣體的膨脹系數為其熱力學(xué)溫度的倒數。 圖 16 材料屬性設置面板 3.3 熱輻射問(wèn)題的設置 在介紹熱輻射計算之前，我們需要了解一下光學(xué)厚度（Optical thickness）的概念。光學(xué)厚度是介質(zhì)吸收輻射能力的量度。在Fluent中，光學(xué)厚度 其中， 為吸收系數，即由于介質(zhì)吸收而導致的輻射強度在經(jīng)過(guò)每單位長(cháng)度的介質(zhì)后改變的量。由于空氣一般不吸收輻射，因此，流體介質(zhì)為空氣時(shí)，該系數可近似設為0。 為散射系數，即由于介質(zhì)散射而導致的輻射強度在經(jīng)過(guò)每單位長(cháng)度的介質(zhì)后改變的量。同樣的，流體介質(zhì)為空氣時(shí)，該系數可近似設置為0。 為特征長(cháng)度。 表格 1 各輻射模型的適用范圍及介紹 模型 光學(xué)厚度 計算量 Surface to surface model (S2S) 0 當光學(xué)厚度等于0時(shí)，S2S模型的計算精度與DO模型相當，但計算量要小于DO模型 Rosseland > 5 計算量小，但在實(shí)際應用中不多 P-1 > 1 計算量較小，在光學(xué)厚度較大的問(wèn)題中計算效果較好 Discrete ordinates model (DO) All 使用范圍最廣，計算量最大，計算精度最高的輻射模型 Discrete Transfer Method (DTRM) All 計算量小，但由于無(wú)法用于并行計算，因此很少使用 一般而言，熱輻射模型用在高溫工況及僅有自然對流存在的工況中。若要在計算中考慮熱輻射的影響，需要打開(kāi)輻射模型面板，在其中選取相應的熱輻射模型。如圖 17所示。 圖 17 輻射模型面板 4. Fluent熱分析關(guān)鍵步驟總結 1) 根據計算問(wèn)題類(lèi)型來(lái)確定是否需要打開(kāi)重力項。 圖 18 打開(kāi)重力項 2) 在Fluent中激活能量方程。 圖 19 激活能量方程 3) 根據情況選取合適的湍流模型。 圖 20 選取湍流模型 4) 根據情況選取合適的輻射模型。 圖 21 選取輻射模型 5) 設置相關(guān)材料屬性，若求解問(wèn)題為輻射問(wèn)題需要特別注意設置相關(guān)的輻射參數，若為自然對流問(wèn)題則需要注意密度項的處理方式。 6) 設置相關(guān)的邊界條件，如流動(dòng)進(jìn)出口，壁面的熱邊界等。 7) 設置合適的離散方式，對于自然對流而言需要特別注意壓力項的離散方式。 圖 22 選取壓力速度耦合方式及各離散項格式 8) 初始化 |
