ANSYS Fluent 在熱分析中的使用介紹

科技123

ANSYS Fluent 在熱分析中的使用介紹

宋步云
) N+ w" K" v1 A

1. 基本概念：
熱能的傳遞有三種基本的方式：熱傳導(dǎo),，熱對(duì)流，熱輻射

5 K1 ~" K" t; Q" d# E. \1.1 熱傳導(dǎo)
5 X; I9 H- J" D+ J+ S物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí),，依靠分子,、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞稱為熱傳導(dǎo)。導(dǎo)熱的基本定率被總結(jié)為傅立葉定率：

其中,， 為熱流量,，單位為 ， 為導(dǎo)熱系數(shù),，單位為 ,， 為面積， 為溫度,。
一般而言,，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)值約在0.006~0.6 之間，其值隨著溫度的升高而增大,。液體的導(dǎo)熱系數(shù)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(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著溫度的升高而減小,。
& O% X5 b. u6 N! w9 v; V  f2 k1.2 熱對(duì)流
7 k3 W; X6 v  q: Q3 x7 k: S由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起民的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移,，冷熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程稱為熱對(duì)流。需要說明的是熱對(duì)流只能發(fā)生在流體當(dāng)中,，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng),，因而熱對(duì)流必然伴隨著熱傳導(dǎo)。工程中感興趣的是流體流對(duì)一個(gè)物體表面時(shí)流體與物體表面之間的熱量傳遞過程,，我們稱之為對(duì)流傳熱,，以區(qū)別于一般意義上的熱對(duì)流。實(shí)際上,，我們平時(shí)所說的熱對(duì)流也指這種情況,。根據(jù)引起流動(dòng)的原因來劃分，對(duì)流傳熱可以區(qū)分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩大類。對(duì)流傳熱的基本計(jì)算公式為牛頓冷卻公式：

其中,， 為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，也被稱為對(duì)流換熱系數(shù),，單位為 ,。
  B3 S$ z) Z, Q+ f4 C( G1.3 熱輻射
* D' T, U; h4 b+ `- H/ p% j物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象我們稱之為熱輻射。理論上講,，只要物體的溫度高于絕對(duì)零度（0  ）,，物體就會(huì)不斷的把熱能變?yōu)檩椛淠埽�向外發(fā)出熱輻射,。熱輻射的基本計(jì)算公式為斯忒藩-玻耳茲曼定律,，又稱為四次方定律：

其中， 為物體的發(fā)射率,，也稱為黑度,，其值總小于1， 為斯忒藩-玻耳茲曼常量,，它是個(gè)自然常數(shù),，其值為5.67e-08 ， 為熱力學(xué)溫度,，單位 ,。
* b3 x7 t2 |% {以上為三種基本傳熱方式的介紹，在實(shí)際問題中,，這些方式往往不是單獨(dú)出現(xiàn)的,，很可能是多種傳熱方式的組合形式。
2. 導(dǎo)熱問題的三大類邊界條件
1) 規(guī)定了邊界上的溫度值,，稱為第一類邊界條件,，也稱為Dirichlet條件。此類條件最簡(jiǎn)單的例子就是規(guī)定邊界的溫度為常數(shù),。
6 w0 }, S: |3 P1 u2) 規(guī)定了邊界上的熱流密度值,，稱為第二類邊界條件，也稱為Neumann條件,。此類條件最簡(jiǎn)單的例子就是規(guī)定邊界上的熱流密度為常數(shù),。
4 m1 y* n3 ?3 i7 @) |6 t3) 規(guī)定了邊界上物體與周圍流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及周圍流體的溫度，稱為第三類邊界條件,，也稱為Robin條件,。
此外，在處理復(fù)雜的實(shí)際工程問題時(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。
# ?' A* K+ n; m$ k2.1 Fluent中熱邊界的設(shè)置
; y& \1 N9 }9 D在Wall設(shè)置中的Thermal選項(xiàng)卡中,，前三種Heat Flux,，Temperature，Convection分別對(duì)應(yīng)前面所說的第二類,，第一類及第三類邊界條件,。Radiation為輻射邊界條件，Mixed為混合邊界條件,。默認(rèn)情況下壁面為絕熱,，即通過壁面的熱流量為0。值得一提的是,，當(dāng)計(jì)算當(dāng)中存在共軛傳熱問題時(shí),，導(dǎo)入網(wǎng)格時(shí)，F(xiàn)luent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，此類壁面我們不需要進(jìn)行額外設(shè)置,。

圖 2 耦合壁面

: L3 g# ~  {2 y$ Y& a; _  G在Heat Flux選項(xiàng)中,，需要設(shè)置通過壁面的熱流密度及壁面發(fā)熱功率（默認(rèn)壁面不發(fā)熱，即發(fā)熱功率設(shè)為0）,，如圖 3所示,。

! e  U2 S8 u& H2 i+ H- y

圖 3 第二類邊界條件設(shè)置面板

' o0 O. @2 Y! q在Temperature選項(xiàng)中需要設(shè)置壁面的溫度，其它設(shè)置與Heat Flux選項(xiàng)一樣,，如圖 4所示,。

+ T' Y3 q# F. r- Q7 u圖 4第一類邊界條件設(shè)置面板

在Convection選項(xiàng)中，需要設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)及外界溫度,，其它設(shè)置與Heat Flux選項(xiàng)一樣,，如圖 5所示
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圖 5第三類邊界條件設(shè)置面板

在Radiation選項(xiàng)中需要設(shè)置壁面的發(fā)射率及外界溫度，其它設(shè)置與Heat Flux選項(xiàng)一樣,，如圖 6所示,。
* \  F. o9 O" w2 k- F7 {- r7 g7 E

圖 6 輻射邊界條件的設(shè)置

" `3 u& l; [7 ?% |' ^+ `: O

在Mixed選項(xiàng)中需要同時(shí)指定壁面的表面換熱系數(shù)、發(fā)射率,、外界對(duì)流換熱溫度及外界輻射溫度,，如圖 7所示

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圖 7 混合邊界條件的設(shè)置

3. 不同傳熱方式的計(jì)算設(shè)置
3.1 熱傳導(dǎo)問題的設(shè)置
在工程計(jì)算中，傳熱導(dǎo)的問題通常會(huì)以熱阻設(shè)置的情況呈現(xiàn),，熱阻的定義為：

. D5 |: F1 L/ b 為壁面厚度,， 為導(dǎo)熱系數(shù)， 為面積,。
在Fluent中,，處理這種問題有三種方法：
1) 設(shè)置一個(gè)有厚度的薄壁,，并為其劃分網(wǎng)格，設(shè)置材料通過求解器來計(jì)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程,，但這種做法往往會(huì)伴隨的大量的網(wǎng)格數(shù)量增加。

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圖 8 薄壁網(wǎng)格示意圖

2) 為壁面設(shè)置一個(gè)虛擬厚度,。幾何模型中不體現(xiàn)其厚度,，因而劃分網(wǎng)格時(shí)也僅以0厚度壁面存在，導(dǎo)入Fluent中后,，在壁面設(shè)置中為其設(shè)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(shù)量,，但這種做法只能考慮到垂直于壁面方向的熱量傳遞過程,。在Fluent中，我們可以通過指定材料屬性,，壁面厚度來考慮薄壁熱阻對(duì)傳熱的影響,，如圖 10所示。

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圖 9 虛擬壁面厚度網(wǎng)格示意圖

圖 10 Fluent中設(shè)置以設(shè)置壁面厚度的方式考慮熱阻

3) 設(shè)置Shell Conduction,，這種方法類似于方法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(yīng)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(shù)量,。

圖 11 Shell conduction網(wǎng)格示意圖

5 `& W* t3 E+ D1 R$ q圖 12 Fluent 中Shell Conduction設(shè)置

- c% k7 [: P% L: i7 U5 {由于方法3的優(yōu)越性,，在很多計(jì)算中都會(huì)采用這種方式來處理一些薄壁結(jié)構(gòu)。在Fluent17.0及以后的版本當(dāng)中,，我們可以通過Shell Conduction Manager來批量的管理和設(shè)置Shell Conduction ,。對(duì)于大量Shell Conduction的設(shè)置，我們還可以通過讀寫csv文件來實(shí)現(xiàn),。
  

3.2 熱對(duì)流問題的設(shè)置
7 g" h* X4 Q. c3.2.1 強(qiáng)制對(duì)流設(shè)置
9 J( ]2 `& D- w3 V. U在強(qiáng)制對(duì)流計(jì)算中,，一般需要打開湍流模型面板并選取合適的湍流模型。在一般的計(jì)算當(dāng)中,，推薦使用Realizable  或SST  模型,。
3.2.2 自然對(duì)流設(shè)置
1 y5 U. l; ]( E我們知道，一般情況下,，在流體計(jì)算中是以雷諾數(shù)大小來判斷流動(dòng)是否為湍流,。但在自然對(duì)流中，我們不再以雷諾數(shù)的大小為判斷依據(jù),，取而代之的是瑞利數(shù)：

: Z1 R. B' x  _# k* D  \! o

其中,， 為膨脹系數(shù),， 為重力加速度， 為特征長(zhǎng)度,， 為溫度差,， 為運(yùn)動(dòng)粘度， 為熱擴(kuò)散率,。一般認(rèn)為,，當(dāng)瑞利數(shù)大于10e9時(shí)，流動(dòng)為湍流,，此時(shí)需要打開相應(yīng)的湍流模型,。
/ ^7 N2 t9 c0 H與一般計(jì)算不同，自然對(duì)流計(jì)算中有一些特別的設(shè)置,。
1) 由于自然對(duì)流是由于重力場(chǎng)下密度的變化所引起的,，因此在計(jì)算中需要打開重力項(xiàng)，并設(shè)置其大小和方向,。

. Y. [9 l4 O! j* T" z2 J9 s圖 13 打開重力項(xiàng)

2) 數(shù)值離散格式,。自對(duì)流中壓力離散格式需要使用Body Force Weighted或PRESTO!。采用默認(rèn)的二階格式會(huì)出現(xiàn)非物理現(xiàn)象的錯(cuò)誤結(jié)果,。

圖 14 選擇離散格式

0 N- V" b* F5 l3 o  F0 |1 ]( I3) 參考密度的設(shè)置,。在自然對(duì)流的計(jì)算中需要打開重力項(xiàng)并設(shè)置重力加速度的方向及大小。勾上Operating Density選項(xiàng),，可以增加計(jì)算的穩(wěn)定性,。

圖 15 設(shè)置參考密度

( r5 y; D: [5 T* T) z/ P' M4) 密度的設(shè)置。在自然對(duì)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(duì)相關(guān)屬性進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于氣體而言,，密度設(shè)置可以選擇Boussinesq假設(shè)或不可壓理想氣體模型,。對(duì)于液體而言，只能選擇Boussinesq假設(shè),。對(duì)于封閉區(qū)域的自然對(duì)流計(jì)算需要使用Boussinesq假設(shè),。Boussinesq模型假設(shè)在動(dòng)量方程中，除了體積力項(xiàng)之外,，其它各項(xiàng)的密度為常數(shù),。需要注意的是Boussinesq假設(shè)只能用在密度變化小于20%的情況下。打開Boussinesq需要在密度設(shè)置中選擇boussinesq,，并設(shè)定參考密度,，同時(shí)需要設(shè)置流體膨脹系數(shù)，一般而言,，氣體的膨脹系數(shù)為其熱力學(xué)溫度的倒數(shù),。
/ {5 f: A% e+ _6 l9 U% y. F

圖 16 材料屬性設(shè)置面板

2 y6 A/ i' _9 R8 u( A3.3 熱輻射問題的設(shè)置
在介紹熱輻射計(jì)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(shù),，即由于介質(zhì)吸收而導(dǎo)致的輻射強(qiáng)度在經(jīng)過每單位長(zhǎng)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(shù)可近似設(shè)為0。 為散射系數(shù),，即由于介質(zhì)散射而導(dǎo)致的輻射強(qiáng)度在經(jīng)過每單位長(zhǎng)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(shù)可近似設(shè)置為0。 為特征長(zhǎng)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(jì)算量
' M: U1 A! Y. p3 R' wSurface to surface model (S2S) 0 當(dāng)光學(xué)厚度等于0時(shí),，S2S模型的計(jì)算精度與DO模型相當(dāng)，但計(jì)算量要小于DO模型
Rosseland > 5 計(jì)算量小,，但在實(shí)際應(yīng)用中不多
8 J$ d( E: s- P5 A) lP-1 > 1 計(jì)算量較小,，在光學(xué)厚度較大的問題中計(jì)算效果較好
2 x: Z6 T" c& TDiscrete ordinates model (DO) All 使用范圍最廣，計(jì)算量最大,，計(jì)算精度最高的輻射模型
Discrete Transfer Method (DTRM) All 計(jì)算量小,，但由于無法用于并行計(jì)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(duì)流存在的工況中,。若要在計(jì)算中考慮熱輻射的影響，需要打開輻射模型面板,，在其中選取相應(yīng)的熱輻射模型,。如圖 17所示。

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圖 17 輻射模型面板

5 B$ s! q5 R1 @3 E0 M4. Fluent熱分析關(guān)鍵步驟總結(jié)
1) 根據(jù)計(jì)算問題類型來確定是否需要打開重力項(xiàng),。

1 J2 N, f: v2 {. P! e  R

圖 18 打開重力項(xiàng)

! e- e0 I8 V) i1 f2) 在Fluent中激活能量方程,。

: a' R3 n8 l: C" D

圖 19 激活能量方程

3) 根據(jù)情況選取合適的湍流模型。

8 q1 j0 t6 U4 k& n, x0 B& |圖 20 選取湍流模型

4) 根據(jù)情況選取合適的輻射模型,。

6 U) Q8 Y3 W* Z+ }圖 21 選取輻射模型

0 _' K* d6 X! v  V( k2 C& T5) 設(shè)置相關(guān)材料屬性,，若求解問題為輻射問題需要特別注意設(shè)置相關(guān)的輻射參數(shù)，若為自然對(duì)流問題則需要注意密度項(xiàng)的處理方式,。
6) 設(shè)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(shè)置合適的離散方式,，對(duì)于自然對(duì)流而言需要特別注意壓力項(xiàng)的離散方式,。

圖 22 選取壓力速度耦合方式及各離散項(xiàng)格式

8) 初始化

17854315448

學(xué)習(xí)下

無涯001

贊

機(jī)械.@

圖片我怎么看不了呢