考慮自然對流與不考慮自然對流的模擬方法

2020-12-06 流熱

此示例描述火柴點燃時周圍空氣自然對流的兩種方法，這是一種常見的自然對流現象。但是，在自然對流的模擬中，由於流體流動自由性強，模型建立過程中經常會出現不收斂的情況，本文介紹了兩種模擬自然對流的方法，並討論了如何提高模型的收斂性。

此示例分析室溫下，點燃火柴後其周圍空氣對流情況，使用非等溫流來耦合流場與溫度場，本模型的目的是分析火柴燃燒後其周圍空氣的流動狀態。

首先，假設在室溫20℃，從火柴盒中拿出一根火柴點燃，假設火柴火焰溫度為100℃。為簡化計算，模型採用二維建模，一般火材的長度為3cm，寬度為1mm，火柴頭部外徑2mm，幾何模型如圖1所示，為簡化模型，將火柴用一個直徑2mm的圓代替。

模型幾何

邊界條件

假設模型從火柴燃燒一刻開始計算，火柴燃燒時溫度保持穩定，則可以將火柴頭部溫度設置成100℃，空氣溫度 選擇室溫20℃，火柴與空氣的初始溫度選擇室溫。在傳熱模塊四周邊界選擇開邊界，溫度與室溫相同，流體模塊四周選擇開邊界，即法向應力為0。在流體模塊中為了給出初始條件，在邊界處選擇點壓力約束，其大小為大氣壓。

傳熱方程
流體方程
空氣密度

網格

模型網格

結果

火材周圍空氣溫度
溫度
流速分布

本模型的難點首先在於模型的邊界條件，模型自由度越高越不容易收斂，在計算過程中將傳熱模塊與流體模塊四周需要設置成開邊界。其次，空氣對流的產生是由於空氣密度在溫度不同產生密度差，因此需要將空氣密度設置成隨溫度變化的函數。最後，流體模塊在計算時，如果邊界無約束情況下需要給出一個約束條件，即點壓力約束，如果不加模型將不能收斂。

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