ANSYS Fluent熱分析詳解

2020-05-06 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

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

1.1 熱傳導(dǎo)
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, Φ為熱流量,單位為 W, λ為導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/(m·K) ,Α 為面積, Τ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。

1.2 熱對(duì)流
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(guò)程稱為熱對(duì)流。需要說(shuō)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(guò)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(shuō)的熱對(duì)流也指這種情況。根據(jù)引起流動(dòng)的原因來(lái)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W/(㎡·K) 。
1.3 熱輻射
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 K),物體就會(huì)不斷的把熱能變?yōu)檩椛淠?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-08W/(㎡·K4) , T為熱力學(xué)溫度,單位 K。以上為三種基本傳熱方式的介紹,在實(shí)際問(wèn)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(wèn)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)。
2) 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)。
3) 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(wèn)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。
2.1 Fluent中熱邊界的設(shè)置
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(shuō)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(guò)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(wèn)題時(shí),導(dǎo)入網(wǎng)格時(shí),Fluent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

在Heat Flux選項(xiàng)中,需要設(shè)置通過(guò)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。

圖 3 第二類邊界條件設(shè)置面板

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。

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

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。

圖 6 輻射邊界條件的設(shè)置

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

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(wèn)題的設(shè)置
在工程計(jì)算中,傳熱導(dǎo)的問(wèn)題通常會(huì)以熱阻設(shè)置的情況呈現(xiàn),熱阻的定義為:

為壁面厚度, 為導(dǎo)熱系數(shù), 為面積。
在Fluent中,處理這種問(wèn)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(guò)求解器來(lái)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(guò)程,但這種做法往往會(huì)伴隨的大量的網(wǎng)格數(shù)量增加。

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(guò)程。在Fluent中,我們可以通過(guò)指定材料屬性,壁面厚度來(lái)考慮薄壁熱阻對(duì)傳熱的影響,如圖 10所示。

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

圖 12 Fluent 中Shell Conduction設(shè)置

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(lái)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(guò)Shell Conduction Manager來(lái)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(guò)讀寫(xiě)csv文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 熱對(duì)流問(wèn)題的設(shè)置
3.2.1 強(qiáng)制對(duì)流設(shè)置
在強(qiáng)制對(duì)流計(jì)算中,一般需要打開(kāi)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
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(lái)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):

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(kāi)相應(yīng)的湍流模型。
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(kāi)重力項(xiàng),并設(shè)置其大小和方向。

圖 13 打開(kāi)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

3) 參考密度的設(shè)置。在自然對(duì)流的計(jì)算中需要打開(kāi)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

4) 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(kāi)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)。

圖 16 材料屬性設(shè)置面板

3.3 熱輻射問(wèn)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(guò)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(guò)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
Surface 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
P-1 > 1 計(jì)算量較小,在光學(xué)厚度較大的問(wèn)題中計(jì)算效果較好
Discrete 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(wú)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(kāi)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。

圖 17 輻射模型面板

4. Fluent熱分析關(guān)鍵步驟總結(jié)
1) 根據(jù)計(jì)算問(wèn)題類型來(lái)確定是否需要打開(kāi)重力項(xiàng)。

圖 18 打開(kāi)重力項(xiàng)

2) 在Fluent中激活能量方程。

圖 19 激活能量方程

3) 根據(jù)情況選取合適的湍流模型。

圖 20 選取湍流模型

4) 根據(jù)情況選取合適的輻射模型。

圖 21 選取輻射模型

5) 設(shè)置相關(guān)材料屬性,若求解問(wèn)題為輻射問(wèn)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(wèn)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。