1、CFD 计算模型专题学习报告作者：Libo Chen Email：第 1 页 共 10 页Fluent 辐射传热模型理论以及相关设置目录1 概述 .22 基础理论 .22.1 专业术语解释： .22.2 FLUENT 辐射模型介绍： .22.3 辐射模型适用范围总结 .23 Fluent 实际案例操作 .23.1 Case1-测试 external emissivity 使用 DO 模型计算 -2D 模型 .23.2 Case2-测试 internal emissivity-使用 DO 模型计算 -2D 模型 .23.3 仿真结论 .2CFD 计算模型专题学习报告作者：Libo Chen Em
2、ail：第 2 页 共 10 页1 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（
3、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=L，其中 L 为介质的特征长度， 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
4、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 thick
5、ness=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+S ；2、Absorption Coefficient（A 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（ S 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CFD 计算模型
6、专题学习报告作者：Libo Chen Email：第 3 页 共 10 页体，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
7、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
8、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 4。10、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。CFD 计算模型专题学习报告作者：Libo Chen Email：第 4 页 共 10 页限制：1）模型假设所有面
9、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
10、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（p
11、articipating 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。CFD 计算模型专题学习报告作者：Libo Chen Email：第 5 页 共 10 页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
12、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
13、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 300K图 3-1 温度场分布图图 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：CFD 计算模型专题学习报告作者：Libo Chen Email：第 6 页 共 10 页Pra=5.67e-8*1*3.14*2*（4004-3004）=6231W。仿真结果和理论计算非常接近。将 external em
14、issivity 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）-case图 3-3 从里到外 Solid（Al）-solid（Steel）-solid（Al）i）Internal solid Fix temperatu
15、re=400， external radiation temperature=300，external emissivtiy=1； internal emissivtiy=1：图 3-4 温度分布以及换热量ii）internal emissivtiy=0：Internal emissivityExternal emissivityCFD 计算模型专题学习报告作者：Libo Chen Email：第 7 页 共 10 页图 3-5 温度分布以及换热量从图 4、5 可知，上下两张图的温度分布非常相近，上图中温度稍高，而 zone 之间的换热量存在差异，将 internal emissivity 改
16、为 0，代表两个不同材料的 zone 之间辐射传热量为零，因此总传热量从5555W 降低至 5055W。可知， Fluent 中认为紧密相连的两个 solid zone（存在 couple wall）之间是存在辐射传热的（也可设置为无辐射传热） ，相当于实际情况中的两个物体的接触面，只不过在 Fluent 中未设置接触热阻。总结：实际情况中有接触热阻，有辐射传热；Fluent 中无接触热阻，有辐射传热。用Fluent 一般不进行涉及接触热阻细节的仿真。2）Solid（Al） -fluid（air）-solid（Al） ，no gravity-casei） ，external emissivti
17、y=1；internal emissivtiy=1 ，fluid 的 absorption coefficient=0；图 3-6 温度分布以及换热量中心 400K 的 solid 往 external solid 的辐射传热功率为：Pra=5.67e-8*1*3.14*1*（4004-335）=2315W，和 fluent reprot 值 2333W(包含了空气热传导的功率)比较接近；CFD 计算模型专题学习报告作者：Libo Chen Email：第 8 页 共 10 页ii）internal emissivtiy=0，fluid 的 absorption coefficient=0；图
18、 3-7 温度分布以及换热量将 internal emissivtiy=0 后，传热功率下降为 21W，说明无辐射换热时，仅靠空气导热的传热功率非常小。iii） Fluid 和 external solid 之间的 internal emissivtiy=1，fluid 的 absorption coefficient=1；图 3-8 温度分布以及换热量iv）Fluid 和 external solid 之间的 internal emissivtiy=0，fluid 的 absorption coefficient=1；CFD 计算模型专题学习报告作者：Libo Chen Email：第 9
19、页 共 10 页图 3-9 温度分布以及换热量v）Fluid 和 external solid 之间的 internal emissivity=1，fluid absorption coefficient=0，external solid absorption coefficient=1，conductivity=0.02；vi）emissivity=1 ，fluid absorption coefficient=0，external solid absorption coefficient=10，conductivity=0.02图 3-10 温度分布以及换热量CFD 计算模型专题学习报告作者：Libo Chen Email：第 10 页 共 10 页图 3-11 温度分布以及换热量3.3 仿真结论 从以上仿真结果，可以得出以下结论：1、2.1 小结的 internal emissivity 以及 external emissivity 的解释是正确的。2、air 的 absorption coefficient 的默认值=0 ，代表 air 不吸收辐射，即不参与辐射。3、solid 的 absorption coefficient 的默认值=0，代表 solid 吸收辐射，并且 absorption coefficient 为无穷大，辐射被固体表面直接吸收。辐射系数可设置。
