FLUENT-第六节传热模型
fluent传热模拟
译文说明●本文依据FLUENT6。
0的HELP文件翻译而成。
事先并未征得原文版权所有者FLUENT公司或其在中国代理人海基公司的同意。
●本文的写作目的仅在于为在教育与科研领域从事研究工作的人员提供参考与帮助,无意于将其用于商业目的。
●对本文在教育与科研领域的转移、存储、复制，本文作者不提供基于任何商业目的或有损于原文版权所有者的利益、形象等权益的帮助或便利。
●对出于研究与教学目的人员或机构，中文翻译者愿意并尽其可能的提供帮助、商议或回应其它形式的要求.●一旦原文(英文）版权所有者对中文译文的发布提出异议并明确通知译文作者,同时援引有效、适用的法律、法规条款，译文作者愿意立刻终止其为本文的发布、传播而所做出的一切形式努力。
注:本文以ADOBE公司的PDF格式发布。
如需要相应中文WORD格式文档，请发邮件到west_wing@sohu。
com。
11. Modeling Heat Transfer 传热模拟•11。
1 Overview of Heat Transfer Models in FLUENT FLUENT中的传热模型概述•11。
2 Convective and Conductive Heat Transfer 导热与对流换热o11.2。
1 Theory 理论o11。
2。
2 User Inputs for Heat Transfer 有关传热的用户输入项o11.2。
3 Solution Process for Heat Transfer 传热计算的求解过程o11.2.4 Reporting and Displaying Heat Transfer Quantities 传热变量的输出与显示o11.2.5 Exporting Heat Flux Data 热流数据的输出•11。
3 Radiative Heat Transfer 辐射传热o11.3。
1 Introduction to Radiative Heat Transfer 辐射传热简介o11。
fluent热流耦合传热问题逻辑
fluent热流耦合传热问题逻辑Fluent热流耦合传热问题逻辑一、引言Fluent是ANSYS公司开发的一款流体力学模拟软件，它可以模拟各种流体现象，如气体、液体、多相流等。
在工程应用中，很多问题不仅涉及到流体的运动，还涉及到热传递。
因此，在Fluent中进行热流耦合传热问题的模拟非常重要。
二、Fluent中的传热模型Fluent中有多种传热模型可供选择，包括导热方程、对流换热方程、辐射传热方程等。
其中，对于大多数工程应用来说，最常用的是对流换热方程和辐射传热方程。
1. 对流换热方程对于液态和气态物质的传热过程，通常采用对流换热方程进行建模。
在这种情况下，通过求解连续性方程和动量方程得到速度场分布，并将其代入能量方程中求解温度场分布。
2. 辐射传热方程当物体表面温度高于周围环境时，其会向周围环境辐射能量。
这种能量的传递过程可以通过辐射传热方程进行建模。
在这种情况下，需要考虑物体表面的辐射能量和周围环境的吸收和散射能力。
三、Fluent中的热流耦合模型在很多工程应用中，流体运动和热传递是相互耦合的。
在Fluent中，可以采用不同的方法来处理这种耦合关系。
1. 基于壁面温度的热流耦合模型在这种模型中，假设壁面温度已知，并将其作为边界条件输入到Fluent中。
然后，在求解连续性方程、动量方程和能量方程时，使用壁面温度来计算传热通量。
2. 基于壁面热通量的热流耦合模型在这种模型中，假设壁面热通量已知，并将其作为边界条件输入到Fluent中。
然后，在求解连续性方程、动量方程和能量方程时，使用壁面热通量来计算温度场分布。
3. 基于相互耦合求解器的热流耦合模型在这种模型中，采用相互耦合求解器对流体运动和热传递进行同时求解。
这种方法可以更准确地模拟流体运动和热传递之间的相互作用。
四、Fluent中的热辐射模型在一些情况下，物体表面的温度非常高，其向周围环境辐射出的能量占据了主导地位。
在这种情况下，需要使用Fluent中的热辐射模型来进行建模。
Fluent辐射传热模型理论以和相关设置
Fluent辐射传热模型理论以及相关设置目录1 概述 (2)2 基础理论 (2)2.1 专业术语解释： (2)2.2 FLUENT辐射模型介绍： (3)2.3 辐射模型适用范围总结 (4)3 Fluent实际案例操作 (5)3.1 Case1-测试external emissivity 使用DO模型计算-2D模型 (5)3.2 Case2-测试internal emissivity-使用DO模型计算-2D模型 (6)3.3 仿真结论 (10)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（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=αL，其中L为介质的特征长度，α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。
fluent传热系数
fluent传热系数
FLUENT是一种流体力学仿真软件，用于模拟和分析流体和传热问题。
传热系数是其中一个重要的参数，用于描述热量传递的速率。
在FLUENT中，可以通过以下方式获取传热系数：
1.壁面热通量（Wall Heat Flux）：可以通过FLUENT中的壁面
条件设置检查壁面的热通量。
传热系数可以从壁面热通量
中计算得到。
2.热通量梯度（Heat Flux Gradient）：传热系数可以通过壁面
的热通量梯度在表面上的变化率来计算。
FLUENT提供了
在监控面板或者通过后处理工具进行结果分析时，查看壁
面上的热通量梯度。
3.对流传热模型（Convective Heat Transfer Model）：FLUENT
提供了多种对流传热模型，如湍流模型和辐射传热模型等。
这些模型通常包含了与传热系数相关的物理参数，并提供
相关的计算值。
在FLUENT中，用户可以根据具体的模拟和分析需求选择适当的方式来获得传热系数。
这些方法可以用于计算不同壁面的传热系数，或者在不同条件下计算传热系数的变化。
需要注意的是，在设置和解决传热问题时，应该根据具体情况选择合适的模型和边界条件。
此外，在获取传热系数时，还需要对结果进行验证和合理性检查，以确保计算得到的传热系数是可靠和准确的。
fluent传热系数
fluent传热系数摘要：I.引言- 简要介绍fluent 传热系数II.传热系数的定义与意义- 传热系数的定义- 传热系数在工程领域的重要性III.fluent 软件与传热系数计算- fluent 软件简介- 使用fluent 软件计算传热系数的方法IV.传热系数的影响因素- 材料性质的影响- 流动状态的影响- 传热方式的影响V.提高传热系数的途径- 材料选择与设计- 流动控制与优化- 传热方式改进VI.结论- 总结传热系数的重要性与计算方法- 展望传热系数在未来的研究前景正文：fluent 传热系数是fluent 软件中一个重要的参数，它描述了流体中热量传递的能力。
传热系数越大，表示流体中的热量传递能力越强。
在工程领域，fluent 传热系数被广泛应用于热力学、流体力学、材料科学等领域，对于工业生产、能源转换与传输、材料加工等过程都有重要的影响。
传热系数是指在单位时间内，单位面积的物质传递的热量与物质的温度差之比。
通常用符号k 表示，单位为瓦特每平方米开尔(W/m^2K)。
传热系数的大小取决于物质的性质、流动状态以及传热方式等因素。
fluent 软件是一款强大的流体仿真软件，可以用于计算流体的运动、热传递、化学反应等多种物理现象。
在fluent 软件中，传热系数的计算是通过模拟流体流动与热传递过程，根据能量守恒定律来求解的。
传热系数的大小对流体的热传递性能有着重要的影响。
一般来说，材料的导热性能越好，传热系数就越大。
此外，流体的流动状态也会对传热系数产生影响。
当流体流动速度增大时，流体分子间的碰撞次数增加，热量传递的效率也会提高，因此传热系数会增大。
另外，传热方式也会对传热系数产生影响。
例如，在热传导过程中，固体材料之间的传热系数要远远大于流体材料之间的传热系数。
为了提高传热系数，可以采取以下几种途径：选择具有高导热性能的材料，通过优化流动状态，改进传热方式等方式。
例如，在工业生产中，可以采用高导热性能的材料来提高热交换器的效率；在材料科学领域，可以通过改进材料的微观结构，提高材料的导热性能；在航空航天领域，可以通过优化流体流动状态，提高传热效率，从而提高发动机的性能。
Fluent辐射传热模型理论以及相关设置
Fluent辐射传热模型理论以及相关设置目录1概述 (2)2基础理论 (2)2.1专业术语解释： (2)2.2FLUENT辐射模型介绍： (3)2.3辐射模型适用范围总结 (4)3Fluent实际案例操作 (5)3.1Case1-测试external emissivity 使用DO模型计算-2D模型 (5)3.2Case2-测试internal emissivity-使用DO模型计算-2D模型 (6)3.3仿真结论 (10)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（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=αL，其中L为介质的特征长度，α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。
fluent 传热模拟共55页
译文说明●本文依据FLUENT6.0的HELP文件翻译而成。
事先并未征得原文版权所有者FLUENT公司或其在中国代理人海基公司的同意。
●本文的写作目的仅在于为在教育与科研领域从事研究工作的人员提供参考与帮助，无意于将其用于商业目的。
●对本文在教育与科研领域的转移、存储、复制，本文作者不提供基于任何商业目的或有损于原文版权所有者的利益、形象等权益的帮助或便利。
●对出于研究与教学目的人员或机构，中文翻译者愿意并尽其可能的提供帮助、商议或回应其它形式的要求。
●一旦原文（英文）版权所有者对中文译文的发布提出异议并明确通知译文作者，同时援引有效、适用的法律、法规条款，译文作者愿意立刻终止其为本文的发布、传播而所做出的一切形式努力。
注：本文以ADOBE公司的PDF格式发布。
如需要相应中文WORD格式文档，请发邮件到west_wing@sohu.11. Modeling Heat Transfer传热模拟∙11.1 Overview of Heat Transfer Models in FLUENT FLUENT中的传热模型概述∙11.2 Convective and Conductive Heat Transfer 导热与对流换热o11.2.1 Theory 理论o11.2.2 User Inputs for Heat Transfer 有关传热的用户输入项o11.2.3 Solution Process for Heat Transfer 传热计算的求解过程o11.2.4 Reporting and Displaying Heat Transfer Quantities 传热变量的输出与显示o11.2.5 Exporting Heat Flux Data 热流数据的输出∙11.3 Radiative Heat Transfer 辐射传热o11.3.1 Introduction to Radiative Heat Transfer 辐射传热简介o11.3.2 Choosing a Radiation Model 选择辐射模型o11.3.3 The Discrete Transfer Radiation Model (DTRM) 离散传播辐射模型o11.3.4 The P-1 Radiation Model P-1辐射模型o11.3.5 The Rosseland Radiation Model Rosseland辐射模型o11.3.6 The Discrete Ordinates (DO) Radiation Model 离散坐标辐射模型o11.3.7 The Surface-to-Surface (S2S) Radiation Model 多表面辐射传热模型o11.3.8 Radiation in Combusting Flows 燃烧过程的辐射o11.3.9 Overview of Using the Radiation Models 辐射模型使用概览o11.3.10 Selecting the Radiation Model 辐射模型的选择o11.3.11 Defining the Ray Tracing for the DTRM离散传播模型的跟踪射线的定义o11.3.12 Computing or Reading the View Factors for the S2S Model 表面辐射模型中角系数的计算与数据读取o11.3.13 Defining the Angular Discretization for the DO Model DO辐射模型离散角的定义o11.3.14 Defining Non-Gray Radiation for the DO Model离散坐标辐射模型中的非灰体辐射o11.3.15 Defining Material Properties for Radiation 有关辐射性能的材料属性定义o11.3.16 Setting Radiation Boundary Conditions 辐射边界条件设定o11.3.17 Setting Solution Parameters for Radiation 辐射计算参数的设定o11.3.18 Solving the Problem 问题求解过程o11.3.19 Reporting and Displaying Radiation Quantities 辐射变量的和输出与显示o11.3.20 Displaying Rays and Clusters for the DTRM DTRM表面束和射线显示∙11.4 Periodic Heat Transfer 周期性传热问题o11.4.1 Overview and Limitations 概述与适用范围o11.4.2 Theory 理论o11.4.3 Modeling Periodic Heat Transfer周期性传热问题的模拟o11.4.4 Solution Strategies for Periodic Heat Transfer 周期性传热问题求解策略o11.4.5 Monitoring Convergence 监视收敛o11.4.6 Postprocessing for Periodic Heat Transfer 周期性传热问题的后处理11.5 Buoyancy-Driven Flows 浮力驱动流动o11.5.1 Theory 理论o11.5.2 Modeling Natural Convection in a Closed Domain 封闭区域内自然对流的模拟o11.5.3 The Boussinesq Model Boussinesq模型o11.5.4 User Inputs for Buoyancy-Driven Flows 浮力驱动流动的用户输入o11.5.5 Solution Strategies for Buoyancy-Driven Flows 浮力驱动流动的求解策略o11.5.6 Postprocessing for Buoyancy-Driven Flows 浮力驱动流动的后处理11.1FLUENT中的传热模型概述占据一定体积的物质所据有的热能从一处转移到另一处，这种现象称为传热。
fluent heat exchange热交换模型介绍
fluent heat exchange热交换模型介绍
"Fluent" 是一种计算流体力学（CFD）软件，而"heat exchange" 则指的是热交换，即在流体中传递热量的过程。
在Fluent 中，可以使用不同的模型和方法来模拟和分析流体中的热交换过程。
热交换模型在Fluent 中涉及到流体流动、传热和传质等多个方面。
以下是一些常见的Fluent 中用于热交换模拟的模型和方法：
1.传热模型：Fluent 提供了多种传热模型，包括传导、对流和辐射传热。
用户可以选择
适当的传热模型，根据系统的特点来模拟热量的传递。
2.壁面热通量：可以在Fluent 中设置不同表面的壁面热通量，以模拟具体区域的热交
换情况。
这对于热交换器、散热器等设备的仿真很重要。
3.热源和热汇：用户可以设置热源和热汇，模拟系统中的加热或散热过程。
这对于热交
换系统的设计和优化非常有用。
4.多相流和相变：在一些热交换系统中，可能涉及到多相流动和相变过程，如蒸发、冷
凝等。
Fluent 支持多相流和相变模型，以更全面地模拟系统中的热交换。
5.换热器模块：Fluent 中有专门的换热器模块，用于更方便地建模和分析换热器的性能，
包括壁面传热系数、温度分布等。
使用Fluent 进行热交换模拟需要用户详细了解系统的几何形状、边界条件、材料属性等信息，并选择合适的模型和参数。
通过模拟，用户可以获得系统内部的流动、温度场等信息，帮助设计和优化热交换设备。
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k1
k2
Thermal boundary conditions are supplied on the inner surfaces of
uncoupled wall/shadow pairs
Fluid or solid cells
离散坐标模型
在有限的离散立体角度σs上求解辐射输运方程 :
Board (solid zone)
Elect. Component (solid zone) 2 Watts source
Top View (image mirrored about symmetry plane)
Convection Boundary 1.5 W/m2 K 298 K free stream temp.
Grid
Velocity Vectors
Temperature Contours
Coolant Flow Past Heated Rods
共轭传热例子
Top wall (externally cooled) h = 1.5 W/m2∙K T∞ = 298 K
Air inlet V = 0.5 m/s T = 298 K
其中
自然对流 –Boussinesq 模型
Boussinesq 模型假设流体密度是不变的，只是改变动量方程沿着重力 方向的体积力
– 适用于密度变化小的情况 (例如，温度在小范围内变化).
对许多自然对流问题，Boussinesq 假设有更好的收敛性 – 常密度假设减少了非线性. – 密度变化较小时适合. – 不能和有化学反应的组分输运方程同时使用.
密度值 ρ0. • 设置热膨胀系数 β.
– 使用温度变化模型 (ideal gas, AungierRedlich-Kwong, polynomial):
• 设置操作密度或 • 让 FLUENT 从单元平均中计
算 ρ0
辐射
当和对流及导热换热相比，
量级相当时，应该考虑辐射效应
– σ ， Stefan-Boltzmann常数, 5.67×10-8 W/(m2·K4)
– 热流量 – 温度 – 对流 – 模拟外部环境的对流（用户定义换热系数） – 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） – 混合 – 对流和辐射边界的
结合
壁面材料和厚度可以定义 为一维或壳导热计算
共轭传热
CHT固体域的导热和流体域的对流换热耦合 在流体/固体交界面使用耦合边界条件
薄壁方法中，壁面厚度不需划分网格
在两个区域之间模拟薄层的材料
求解器施加热阻 x/k
边界条件施加在外层面上
Exterior wall (user-specified thickness)
Outer surface (calculated)
Inner surface (thermal boundary condition specified here)
特点 – 太阳方向向量 – 太阳强度（方向，散射） – 使用理论最大或气象条件计算方 向和方向强度 – 瞬态情况
• 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 会随时间改变
• 设置 “time steps per solar load update”
能量方程源项 – 粘性耗散
粘性耗散引起的能量源项:
Absorption
Emission
Scattering
优势:
– 守恒方法能保证粗的离散方式上实现热平衡
• 通过更密的离散方式能提高精度
– 最综合性的模型:
• 考虑了散射、半透明介质、镜面以及波长相关的灰体模型
局限性: – 求解大数量坐标耗费CPU过多
离散传输辐射模型 (DTRM)
主要的假设 – 特定范围角度的离开表面的辐射能用一束射线近似
Symmetry Planes
Air outlet
Electronic Component (one half is modeled) k = 1.0 W/m∙K Heat generation rate of 2 watts (each component)
Circuit board (externally cooled) k = 0.1 W/m∙K h = 1.5 W/m2∙K T∞ = 298 K
对固体板划分网格 vs. 薄壁方法
薄壁方法
– 人工模型模拟壁面热阻 – 壁面需要必要的数据输入（材料导热系数，厚度） – 只有对内部边界用耦合边界条件
Wall zone (no shadow)
Fluid zone
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.
壳导热模型
壳导热模型处理板内部的 导热
▪ 面族不能和滑移网格及悬节点同时使用
封闭空间的自然对流问题 – 对稳态问题，必须使用 Boussinesq 模型. – 非稳态问题，可以使用 Boussinesq 模型或者理想气体模型
自然对流的用户输入
在操作条件面板中定义重力加 速度
定义密度模型
– Boussinesq 模型
• 激活重力项. • 设置操作温度 T0. • 选择 Boussinesq 模型，输入
– Surface-to-Surface (S2S)
选择辐射模型
指南： – 计算代价
• P1 计算代价小，有合理的精度
– 精度
• DTRM 和 DOM 最精确.
– 光学厚度
• DTRM/DOM 适合光学厚度小的模型 (αL << 1) • P1 适合光学厚度大的模型. • S2S 适合零厚度模型
问题设置-热源
在固体域加入热源模拟电子部件的生成热
温度分布
Temp. (ºF) 426 410 394 378 362 346 330 314 298
Flow direction
Flow direction
Air (fluid zone)
Front View
Convection boundary 1.5 W/m2 K 298 K free stream temp
Static temperature (cell value)
Thin wall (no mesh)
Thermal boundary condition on wall
Wall temperature (outer surface)
Wall temperature (inner surface)
薄壁和两侧壁面
S2S辐射模型用于模拟介质不参与的辐射
– 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
– S2S 是基于角系数的模型 – 假设没有介质参与
局限性:
– S2S 模型假设所有面是散射的 – 假设是灰体辐射 – 随着表面数量的增加，存储和内存增加很快
• 可以使用面族来减少内存使用
– 对可压缩性流体，或者密度基求解器，总是考虑压力做功和动能。对压 力基求解器计算不可压流体，这些项被忽略，可以用下面的命令加入:
– define/models/energy?
固体域的能量方程
能计算固体域的导热 能量方程:
– h 显焓:
固体域的各向异性导热系数（压力基求解器）
壁面边界条件
五类热边界条件
– 散射
• 只有 P1 和 DO能考虑散射
– 颗粒辐射
• P1 和 DOM 能考虑气体和颗粒间的辐射换热
– 局部热源
• 适合用DTRM/DOM 带足够数量的射线/坐标计算
附录
太阳辐射模型
太阳辐射模型 – 太阳辐射能量的射线追踪算法， 和其他辐射模型兼容 – 允许并行计算（但射线追踪算法 不能并行） – 仅适用3D
第六节：传热模型
概要
能量方程 壁面边界条件 共轭传热 薄壁和双面壁 自然对流 辐射模型 报告-输出
能量方程
能量输运方程:
Unsteady
Conduction
– 单位质量的能量 E :
Conduction
Species Diffusion
Viscous Enthalpy Dissipation Source/Sink
使用射线跟踪技术，沿着每条射线积分辐射强度
优势: – 相对简单的模型 – 增加射线数量能提高精度 – 适用大范围的光学厚度
局限性: – 假设所有表面是漫射的. – 不包括散射. – 求解大数量的射线耗费CPU过多.
P-1 模型
主要假设 – 对RTE积分后，和方向不再相关，导出入射辐射的扩 散方程
– 密度基求解器总包含 – 在压力基求解器中可以不显
示此项
能量方程 – 源项
化学反应流中由于化学反应引起的能量源项
– 所有组分的生成焓 – 所有组分的体积生成率
由于辐射引起的能量源项 相间能量源项:
– 包括连续相和离散相间的传热 – DPM, 喷雾, 颗粒…
薄壁中的温度分布
薄壁模型应用于法向导热，不生成实际的单元 壁面热边界条件应用于外层
替代的模拟策略
可替代的策略为模拟壁面为一有厚度面 (Thin Wall model). 这时，不需对固体域划分网格
对固体板划分网格 vs. 薄壁方法
对固体板划分网格