Fluent理论基础-传热模型

       本篇章主要介绍Fluent传热模型的相关理论基础，只是一个大概的框架，内容相对较浅，主要针对流场分析刚涉及到热的新手用户，主要内容如下：

      ▉ 热交换简介

       ▉ 热传导

       ▉ 热对流

       ▉ 热辐射

       ▉ 相变

       ▉ 壁面热边界条件

       ▉ 壁面传热与网格

       ▉ 传热计算后处理

01-热交换简介

       热交换的现象在自然界中普遍存在，主要包括热传导、热对流、热辐射和相变。

       热传导：在介质中发生，由于温度梯度产生的热扩散，与原子和分子振动或电子运动有关。

       热对流：流体流动导致热量交换。

       热辐射：通过电磁波辐射产生热量交换。

       相变：因相变而发生的热量交换，本质是发生相变时物质需要吸收或释放热量。

02-热传导

       热传导：在介质中发生，由于温度梯度产生的热扩散，与原子和分子振动或电子运动有关。

       ✦ 当能量方程被激活时，材料属性会开启关于比热和热导率的设置，Fluent会在所有的流体和固体区域内计算热传导；

       ✦ 热传导由傅里叶定律决定，其指出传热率与温度梯度成正比；

       ✦ 传热量Q=-kΔT

       ✦ 其中k为热导率，是材料的一种属性；

       ✦ k可能是温度、空间等的函数；

       ✦ 对于各向同性材料，k是一个常数；

       ✦ 对于各向异性材料，k是一个矩阵；

03-热对流

       热对流：流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，即流体的移动会带走热量，又称对流传热。

       ✦ 热传递和流体运动相耦合；

       ✦ 能量方程激活时，流体中会计算热传导；

       ✦ 能量方程激活+流动方程激活➪求解对流传热；

       ✦ 对流传热速率很大程度上取决于流体速度；

       ✦ 流体性质可能随温度而发生显著变化；

       ✦ 壁面处的传热系数通过湍流热壁函数计算；

       [注意]

       ✦ 热对流可以简要分为自然对流和强迫对流；

       ✦ 温度不均匀流体内部的密度会有所差异，在重力驱动下由密度差引起的流动，就是自然对流，如煮水时水的上下循环流动；

       ✦ 流体在外力影响下所发生的对流称为强迫对流，比如利用电风扇、泵等来强迫流体流动；

       ✦ 之前篇章Fluent关于电子芯片散热的案例的流动就是自然对流，常用来描述自然对流的方法有：

       ✦ Boussinesq(布辛涅司克)模型，其假设密度与温度无关，即密度为定值，常在温差变化不大时使用；

       ✦ Incompressible Idea Gas密度模型，即理想不可压缩气体模型，假设其密度与压力无关，密度与温度成反比；

04-热辐射

       热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。辐射传热就是通过电磁波辐射产生热量交换。

       ✦ 一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多；

       ✦ 热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播；

       ✦ 由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式；

       -对于半透明物体(比如玻璃，燃烧产物气体)，辐射是体积现象，辐射可以从体内逸出；

       -对于不透明的物体，辐射本质上一种表面现象，几乎所有的内部辐射都在体内被吸收；

       Fluent中共有六个热辐射模型，如上图中所示，相较于热传导和热对流，热辐射更加复杂，使用时需要在_Model_Radiation中开启，新手对基本概念有一个基础认识即可。

       ✦ 当辐射热通量与热对流及热传导的传热速率相比，两者数量级相当时，应该考虑热辐射效应。

05-相变

       相变：因相变而发生的热量交换，本质是发生相变时物质需要吸收或释放热量。

       ✦ 当物质改变状态时，会释放或吸收热量；

       ✦ 相变有很多不同的形式，比如蒸发(Evaporation)、沸腾(Boiling)、融化(Melting)、凝固(Solidification)；

       ✦ 需要用多相模型或UDF来正确模拟这些现象；

06-壁面热边界条件

       当壁面只有一侧存在固体域或流体域时，这种well称为外部边界，当壁面的两侧均存在固体域或流体域时，这种well称为内部边界_

       ✦ 当壁面为内部边界时，其边界条件有Heat Flux(热通量)、Temperature(温度)和Couple(耦合)；

       ✦ 当壁面为外部边界时，其Thermal热边界条件有Heat Flux(恒定热通量)、Temperature(温度)、Convection(对流)、Radiation(辐射)、Mixed(混合)、Via System Coupling(通过系统耦合)、Via Mapped Interface(通过映射交界面)；

       ✦ Convection(对流)：模拟外部环境的对流，用户需要定义换热系数；

       ✦ Radiation(辐射)：模拟外部环境的辐射，用户需要定义内部发射率和辐射温度；

       ✦ Mixed(混合)：对流和辐射边界的结合；

       ✦ Via System Coupling(通过系统耦合)：当Fluent与Workbench中其他系统耦合时，可以使用；

       [注意]

       无论是外部边界还是内部边界，无论是哪种热边界条件，其热边界条件都包括Material Name(材料名称)、Well Thickness(壁面厚度)、Heat Generation Rate(热源功率)；

07-壁面传热和网格

       对壁面热效应的模拟可采用三种方法，有些方法需要对固体区域进行网格划分，有些则不需要_

       ✦ 方法1：对固体区域进行网格划分，在固体区域求解能量方程，使用耦合热边界条件计算，该方法最为精确；

       ✦ 方法2：采用薄壁模型，仅需要划分流体区域，不需要对固体区域划分网格，但需要指定壁面厚度以及一些其他参数，假定固体区域的厚度-温度分布是线性的，考虑壁面热传导，热传导仅在壁面法向方向上计算；

       ✦ 方法3：采用壳导热模型，不需要对固体区域划分网格，在方法2即薄壁模型的基础上通过勾选Shell Conduction开启，通过Edit创建一层或多层虚拟传导网格单元，并赋予其厚度和材料，热量可以沿壁面各个方向传递；

       ✦ 固体材料属性必须是常数，不能和温度有关；

       ✦ 采用壳导热模型会创建虚拟传导网格单元，但不能显示，也不能通过UDF获得；

08-传热计算后处理

       传热计算完成后可查看热通量报告_

       ✦ Total Heat Transfer Rate(总热传递速率)：计算对流和辐射通量；

       ✦ 计算收敛时，Net Results(净热平衡)应该为0；

       ✦ 或与所有的外部能源相反；

       ✦ Total Heat Transfer Rate(辐射热传递速率)：仅计算辐射净通量；

       ✦ 该通量的总和一般不为0，它可以代表被介质吸收的能量的量；

9-讨论

       ✦ 本篇章简要介绍了Fluent传热模型的相关理论基础，主要包括传热的几种形式，以及相关的Fluent传热模型，内容相对浅显，主要针对刚涉及热的新手用户；

       ✦ 本篇分享更偏向于知识整理，部分图片来源网格；

       ❖ 可能会存在描述错误或理解不足等问题，欢迎指正交流_

       ❖ 可通过以下方式联系博主，欢迎指正交流~

       ❖  点个关注不迷路幺~

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删