CFD熱仿真 | 案例03 輻射引起自然對流仿真

2022-01-28 仿真學習與應用

本教程主要展示S2S輻射模型作用下「可壓縮理想氣體」自然對流仿真過程；

0、模型工況描述

幾何模型及工況，其中熱牆材料AL，其他壁面為絕熱材料混合邊界（對流和輻射），假設內部空間介質無發射、吸收、散射輻射能；壁面為灰體滿足S2S輻射模型應用假設；

1、Surface-to-Surface(S2S)輻射模型

求解「封閉灰體-擴散」表面的輻射熱交換問題。基於「灰體模型」輻射能達到表面時，一部分將被反射-reflected，一部分被吸收-absorbed，剩餘部分穿透-transmitted；S2S模型假設：空間內部介質發射-emit、吸收-absorb或散射-scattering被忽略；輻射表面為「不透明體-Opaque」，對於「灰體-擴散-不透明體」表面假設其吸收率等於發射率（α=ε），其反射率ρ=1-ε；

輻射表面熱流量表達式（與view factor-視角因子相關Fk,j）：

2、理想氣體「自然對流」

「不可壓縮理想氣體」，氣體滿足理想狀態方程；材料密度選擇「Incompressible ideal-gas」並設置氣體摩爾質量：

「可壓縮理想氣體」，在材料屬性密度選擇「ideal-gas」並設置氣體摩爾質量；

3、「自然對流」關鍵參數

Prandtl number：普朗特數（本案例中氣體朗特數約0.7-大多數氣體）

Rayleigh number：瑞利數（本案例中氣體瑞利數約10^8,更可能為層流流動，L=0.25m，△T=(473.15-293.15）K；對於高瑞利數工況，可通過減小重力加速度（9.8-0.098），先進行穩態層流仿真，收斂後再進行高瑞利數計算；)

4、Fluent仿真計算

啟動Fluent19.2，加載模型網格文件，開啟「能量方程」，默認層流模型，選擇「S2S」輻射模型並進行相關設置；

FPSC默認為1，增加數值，可減少計算內存需求，但損失一定精度；

設置Air材料屬性；

設置絕熱材料屬性；

設置操作環境變量，建議「ideal gas」計算浮力時，設置參考密度為0；參考壓力壓力101325Pa；

設置絕熱壁面邊界條件；

複製邊界條件；

設置熱牆邊界條件；

採用「coupled」算法，壓力選擇「Body Force Weighted」離散格式，其他設置「一節迎風格式」；偽瞬態求解；（計算收斂）

初始化計算；

設置檢測曲線監測變量「Z=0平面的平均溫度值」約600步計算收斂；

Z=0平面速度矢量圖顯示由於熱輻射作用，內部空氣自然對流，「大體」呈順時針流動；

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