FLUENT第六节传热模型演示文稿
fluent流--固耦合传热-图文
fluent流--固耦合传热-图文一两端带法兰弯管置于大空间内，管外壁与空气发生自然对流换热；内通烟气并与管内壁发生强制对流换热。
结构和尺寸及其它条件如图。
计算任务为用计算流体力学/计算传热学软件Fluent求解包括管内流体和管壁固体在内的温度分布，其中管壁分别采用薄壁和实体壁两种方法处理。
所需的边界条件采用对流换热实验关联式计算。
要求在发动机数值仿真实验室的计算机上完成建立几何模型、生成计算网格、建立计算模型、提交求解、和结果后处理等步骤，并分别撰写计算任务的报告，计算报告用计算机打印。
计算报告包括以下与计算任务相关的项目和内容：(1)...............................传热过程简要描述包括传热方式、流动类型等；(2)计算方案分析包括所求解的控制方程及其简化、边界条件及其确定方法和主要计算过程；(3)计算网格简报包括网格划分方案、单元拓扑、单元和节点数量、网格质量等；(4)计算模型描述包括流体物性、边界条件、湍流模型、辐射模型及近壁处理等；(5)求解过程简报包括求解方法、离散格式、迭代过程监控、收敛准则等；(6)................................................计算结果及分析给出下列图表和数据：纵剖面和中间弯管45°方向横剖面上的温度、温度梯度、速度分布图，以及法兰和中间弯管处的局部放大图。
管内壁面上的温度、热流密度和表面传热系数分布，包括三维分布和沿管长度方向上的分布。
............................................................ .........................................总热流量。
由2种数值计算方法求得管内外烟气和空气之间换热的平均传热系数和烟气出口温度，并与工程算法得到的数值对比。
1、传热过程简述计算任务为用计算流体力学/计算传热学软件Fluent求解通有烟气的法兰弯管包括管内流体和管壁固体在内的温度分布，其中管壁分别采用薄壁和实体壁两种方法处理。
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。
FLUENT-传热模型PPT学习课件
其中
14
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.
7
问题设置-热源
在固体域加入热源模拟电子部件的生成热
8
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
9
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
10
对固体板划分网格 vs. 薄壁方法
对固体板划分网格
– 在固体域求解能量方程l. – 板厚度需用网格离散 – 最精确的方法，但需要多计算网格 – 由于壁面两侧都有网格，总是应用耦合热边界条件
第六节：件 共轭传热 薄壁和双面壁 自然对流 辐射模型 报告-输出
2
能量方程
能量输运方程:
Unsteady
Conduction
– 单位质量的能量 E :
Conduction
Species Diffusion
流体传热研究的强大工具-fluent软幻灯片PPT
• 流动问题几乎都能解决
• 流体和固体的共轭传热问题
• 流体和固体的耦合问题（水流冲击一板条或者鸟 类的翅膀扇动的过程，利用动网格）
发动机的冷却水套的温度分布
催化剂固体颗粒的浓度分布
u=u(t), sinusoidal inlet velocity
initial mesh
动脉血管脉动流 动的模拟
的知识
Fluent 软件简介
• 美国总部 • 基于有限容积法 • 功能强大，全世界最通用的流体传热计算
软件之一。 • 应用领域十分广泛(航空航天，汽车，空调
供热，流体机械，化学反应，电子元件冷 却，石油开采，换热器等众多领域）
Fluent 的强大功能
• Fluent 可解决的问题:
– 汽车的内流和外流及气缸内的流动 – 高速航天空气动力学 – 火箭的内部流动 – 涡轮机械 – 反应容器的设计 – 台风或飓风，建筑物风环境 – 气泡动力学及两相流 – 混合容器 – 流化床 – 流体诱导噪声的预测 – 煤粉或者油，燃气的燃烧
计算结果（14）
计算结果与试验结果的对比 （无偏航情况 Ma=0.8016 α=2.10424度）
实验结果(未修正) 湍流（k-ε方程）
升力系数 0.14257 0.13683
阻力系数
俯仰力矩系数
0.02049
-0.01653
0.02477
-0.01121
计算结果（15）
计算结果与试验结果的对比 （无偏航情况 Ma=1.5350 α=0.99518度）
rigid wall
compliant wall
rigid wall
Velocity contour plot
电子计算机机箱 的热分析与流体 的粒子轨迹图
FLUENT-6-计算模拟过程方法及步骤
FLUENT 12 模拟步骤Problem Setup读入网格：file read case 选择网格文件（后缀为。
Mesh）1 General1）Mesh（网格）> Check（点击查看网格的大致情况，如有无负体积等）Maximum volume (m3)（最大体积，不能为负）Minimum volume (m3)（最小体积，不能为负）Total volume (m3)（总体体积，不能为负）> Report Quality（点击报告网格质量）Maximum cell squish（最大单元压扁，如果该值等于1，表示得到了很坏的单元）Maximum cell skewness（最大单元扭曲，该值在0到1之间，0表示最好，1表示最坏）Maximum aspect ratio（最大长宽比，1表示最好）> Scale（点击缩放网格尺寸，FLUENT默认的单位是米）Mesh Was Create In（点选mm →点击Scale按钮且只能点击一次）View Length Unit In（点选mm →直接点击Close按钮不能再点击Scale按钮）> Display（点击显示网格设定）→弹出Mesh Colors窗口Options（选Edges和Faces）Edge Type（点选All）Surface（点选曲面）→点击Display按钮点击Colors按钮→弹出Mesh Display窗口Options（点选Color by ID）→点击Close按钮→再点击Display按钮2）Solver（求解器）> Pressure-Based（压力基，压力可变，用于低速不可压缩流动）> Density-Based（密度基，密度可变，用于高速可压缩流动）3）Velocity Formulation（速度格式）> Absolute（绝对速度）> Relative（相对速度）4）Time（时间）> Steady（稳态）> Transient（瞬态）5）Units（点击设置变量单位）点击按钮→弹出Set Units窗口→在Quantities项里点选pressure →在Units项里点选atm →点击New按钮→点击OK按钮→点击Close按钮2 Models（物理模型）1）Multiphase（多相流模型）2）Energy（能量方程，一般要双击勾选）3）Viscous（粘性模型，一般选k-ε模型，所有参数保持默认设置）4）Radiation（辐射模型）5）Heat Exchanger（传热模型）6）Species（组分模型）7）Discrete Phase（离散相模型）8）Solidification & Melting（凝固与融化模型）9）Acoustics（声学模型，一般选择Broadband Noise Source模型，所有参数保持默认设置）3 Materials（定义材料）1）点击FLUENT Database →在FLUENT Fluid Materials里选择所需要的物质→点击Copy按钮→点击Close按钮→再点击Change/Create按钮2）点击User-Defined Database →选定写好的自定义文件→点击OK按钮3）自定义材料物性参数：在Name文本框中输入自定义材料名字gas →Chemical Formula文本框删除为空→修改Properties中各参数的值→点击Change/Create按钮→弹出Change/Create mixture and Overwrite air对话框→点击NO按钮→点击Close按钮4 Phases（相）5 Cell Zone Conditions（单元区域条件）点击Edit按钮→在Material Name项的下拉列表中选择gas（工作介质）→点击OK按钮6 Boundary Conditions（边界条件）1）Pressure-Inlet（压力进口）> Momentum（动量）Reference Frame（参考系）Gauge Total Pressure（总表压）Supersonic/Initial Gauge Pressure（初始表压或静压，一般比总表压小500Pa左右，或设为出口表压）Direction Specification Method（进口流动方向指定方法，Normal to Boundary垂直边界）Turbulence > Specification Method（湍流指定方法，Intensity and Hydraulic Diameter）Turbulent Intensity（湍流强度，一般为1）Hydraulic Diameter（水力半径，一般为管内径）> Thermal（热量）Total Temperature（总温）> Species（组分）2）Pressure -Outlet（压力出口）> Momentum（动量）Gauge Pressure（表压）Backflow Direction Specification Method（回流方向指定方法）Radial Equilibrium Pressure Distribution（径向平衡压力分布）Target Mass Flow Rate（目标质量流率）Non-Reflecting Boundary（非反射边界）Turbulence > Specification Method（湍流指定方法，点选Intensity and Hydraulic Diameter）Backflow Turbulent Intensity（回流湍流强度，一般为1）Backflow Hydraulic Diameter（回流水力半径，一般为管内径）> Thermal（热量）Backflow Total Temperature（回流总温）> Species（组分）7 Mesh Interfaces（分界面网格）8 Reference Values（参考值）9 Adapt（自适应）Adapt →Gradient（压力梯度自适应）> Options（显示选项）Refine（加密，勾选）Coarsen（粗糙，勾选）Normalize（正规化）> Method（方法）Curvature（曲率）Gradient（梯度，勾选）Iso-Value（等值）> Gradient of（梯度变量）Pressure（压力，点选）Static pressure（静压，点选）> Normalization（正常化）Standard（标准）Scale（可缩放，勾选）Normalize（使正常化）> Coarsen Threshold（粗糙比，0.3）> Refine Threshold（细化比，0.7）> Dynamic（动态）Dynamic（动态，勾选）Interval（每隔几次迭代自适应一次）→点击Mark按钮→点击Adapt按钮→（点击Compute按钮）→点击Apply按钮Solution1 Solution Methods（求解方法）1）Formulation（求解格式，默认为隐式Implicit）2）Flux Type（通量类型，默认为Roe-FDS）3）Gradient（求解格式，默认为Least Squares Cell Based）4）Flow（流动，点选二阶迎风格式Second Order Upwind）5）Turbulent Kinetic Energy（湍动能，点选二阶迎风格式Second Order Upwind）6）Turbulent Dissipation Rate（湍流耗散率，点选二阶迎风格式Second Order Upwind）2 Solution Controls1）Courant Number（库朗数，控制时间步长，瞬态计算才需要设置）2）Un-Relaxation Factors（欠松弛因子）> Turbulent Kinetic Energy（湍动能，默认为0.8）> Turbulent Dissipation Rate（湍流耗散率，默认为0.8）> Turbulent Viscosity（湍流粘度，默认为1）3）Equations（点击弹出控制方程）> Turbulence（湍流方程）> Flow（流动方程= 连续方程+ 动量方程+ 能量方程）4）Limits（点击弹出限制窗口）对某些变量使用限制值，如果计算的某个变量值小于最小限制值，则求解器就会用相应的极限取代计算值。
Fluent辐射传热模型理论以及相关设置
F l u e n t辐射传热模型理论以及相关设置目录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。
基础理论专业术语解释：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Fluenthelp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、Opticalthickness（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Fluenthelp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。
//TheoryGuide::0///5.3.2）。
该问题的解释为：其实一点也不矛盾，如果Opticalthickness=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，Opticalthickness=10，说明辐射在经过L/10距离后已经被吸收（或散射）完。
fluent 辐射模型案例
fluent 辐射模型案例Fluent 辐射模型案例Fluent 是一种流体力学仿真软件，可以用于模拟各种流体问题。
其中，辐射传热是一个重要的应用场景，例如在工业炉窑、航空发动机等领域中都需要考虑辐射传热的影响。
本文将介绍一个使用 Fluent 进行辐射传热模拟的案例。
案例背景某公司生产一种高温工业炉窑，需要对其进行优化设计。
其中，辐射传热是一个重要的因素。
该工业炉窑内部温度高达1500℃ 左右，需要通过辐射传热将能量传递到物料上。
为了提高工业炉窑的效率和降低能耗，公司决定使用 Fluent 进行辐射传热模拟，并基于模拟结果进行优化设计。
建模过程1. 建立几何模型首先需要建立工业炉窑的几何模型。
由于该工业炉窑形态比较复杂且不规则，因此可以使用 CAD 软件进行建模，并导入 Fluent 中进行后续处理。
2. 定义物理属性在建立几何模型之后，需要定义物理属性。
包括流体的密度、粘度、热导率等，以及辐射传热的相关参数，如表面发射率、吸收率等。
这些参数可以通过实验或者文献资料获得。
3. 网格划分接下来需要对几何模型进行网格划分。
网格划分是模拟的关键步骤之一，它直接影响到模拟结果的精度和计算效率。
在本案例中，由于工业炉窑内部存在着复杂的结构和不规则形状，因此需要使用较为细密的网格进行划分。
4. 定义物理场在完成网格划分之后，需要定义物理场。
包括流场、温度场和辐射传热场等。
其中，流场和温度场可以通过求解 Navier-Stokes 方程和能量方程得到；而辐射传热场则需要考虑辐射传热方程，并采用离散化方法进行求解。
5. 边界条件设置在定义物理场之后，需要设置边界条件。
包括入口条件、出口条件和壁面条件等。
在本案例中，由于工业炉窑是一个封闭系统，因此入口流量为零；出口压力为常数，并且需要考虑辐射传热的影响；壁面需要设置表面发射率和吸收率等参数。
6. 求解模拟结果在完成前述步骤之后，可以开始进行求解模拟结果。
由于辐射传热是一个复杂的过程，需要采用迭代方法进行求解。
工程类FLUENT6.0 的使用PPT教学课件
Constant
Incompressible
Incompressible Incompressible Ideal Gas Law
not used
not used Mean Flow Pressure
高马赫数，习惯上使用绝对压力，Pop=0
Flow inlet and exit boundaries:
多相流动
Multiphase flow in fluent
同一物质，不同的相 (气、液、固) 不同的物质相同的相（水和油）
整个流体系统分为主相和多个次相
主相看成是连续介质 次相离散分布在 连续相中
Multiphase models
Dispersed phase model (DPM)：拉格朗日离散相模型
S S
S
E
E
S
E
E
C
E
EE
网格划分
网格生成质量对计算精度与稳定性影响极 大。
在几何形状复杂的区域上要生成好的网格 相当困难
Meshing grid number
grid quality 超过90％的精力要用在生成合适的网格上
策略
Boundary layers
Pre-meshing
Sizing functions 为降低离散误差，减
Reynolds Stress:
可以计算各向异性旋涡 ，难于收敛，适于计算弯曲流道、强的旋涡或旋转
近壁处理及第一个网格的位置
-和RSM适用于离开壁面一定 距离的湍流区域
两种方法： 壁面函数法
Standard wall functions Non-equilibrium wall functions
connected virtual edges/faces
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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
FLUENT第六节传热模型演示文稿
优选FLUENT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
Conduction
– 单位质量的能量 E :
Conduction
Species Diffusion
Viscous Enthalpy Dissipation Source/Sink
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.
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):
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
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
– 在固体域求解能量方程l. – 板厚度需用网格离散 – 最精确的方法，但需要多计算网格 – 由于壁面两侧都有网格，总是应用耦合热边界条件
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
– 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
求解器创建额外的导热单 元，但不能显示，也不能 通过UDF获得
固体属性必须是常数，不 能和温度相关
Static Temperature (cell value)
Virtual conduction cells
自然对流
当流体加热后密度变化时，发生自然对流 流动是由密度差引起的重力驱动的
有重力存在时，动量方程的压力梯度和体积力项重写为：:
Wall zone (with shadow)
Fluid zone Solid zone
Wall thermal resistance directly accounted for in the Energy equation; Through-thickness temperature distribution is calculated. Bidirectional heat conduction is calculated.
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
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.
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
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
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