Fluent中无厚度壁面导热问题
责任编辑:1302****1004     时间:2024-04-30     来源:转载于:CAE交流之家
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1. 无厚度壁面导热介绍

  通常我们对于传热的计算只考虑流体域的传热,比如我们设置wall的温度=300K,实际上是想说流体域的边界温度是300K。

  但有些情况下,我们是无法确定流体域边界温度的,比如我们想研究管道内水和外界的换热问题,我们只知道管道外壁面温度,而不知道内壁面温度,这种情况下应该如果确定温度边界条件呢?


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2. 无厚度壁面导热的两种方法

  第一种方法是考虑到壁面厚度,将壁面的网格画出来然后在固体域求解能量方程;这方式当然可以计算壁面导热,但是往往壁面厚度都比较小,划分网格可能会比较复杂,同时还会造成网格质量较差。这种方式这里不再说明


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  第二种方式是Fluent提供的一种简化的方式,不需要画出壁面的网格,还可以考虑壁面导热。


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3. 简化方法

  Fluent壁面wall的热边界条件无论是什么类型,对于二维都存在wall thickness和heat generation rate;对于三维模型还存在shell conduction选项


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  这几个参数是什么意思呢??有什么作用?

3.1 Wall Thickness

  a. 当Wall Thickness=0时,heat generation rate设置的值不可用。表示壁面无厚度,也就是不考虑壁面导热问题。


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  b. 当wall Thickness不为0时,表示考虑了壁面厚度。这种方式可以不用画网格来考虑壁面厚度。

  c. 需要注意的是,壁面厚度是向外扩展的,而不是向内拓展。比如边长0.4m的正方形,左边和上面考虑wall thickness=0.05m后,会附加上0.05m的壁厚,但是通过Fluent看不到这个壁厚

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  d. 当wall thickness不为0时,边界条件一般加在不与流体或固体网格相邻的面上,也就是说,边界条件是加在外壁面上的。



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  e. 无论勾选什么温度条件,都存在wall thickness和heat generation rate。当wall thickness=0时,heat generation rate不可用。但当wall thickness不为0,此时的温度边界条件是添加到外壁面上的,壁面是有厚度的,需要进行传热或者发热。

  如果壁面发热就需要设置heat generation rate,通过外壁面的边界温度和发热功率来确定内壁面温度。如果不发热,则需要将外壁面温度通过热传导的方式传导到内壁面,需要设置材料和导热系数。


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  f. 下图是壁面温度323K,wall thickness=0.02,导热系数为0.02时的内壁面温度。内壁面温度只有299K左右


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3.2 Shell Conduction


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  Shell conduction表示考虑面厚度的导热,对需要考虑厚度的壁面,需要在thermal边界条件中勾选此项。Shell conduction 也可通过自己画图来体现壁面的导热,此时能展现出壁面的细节。

未勾选shell conduction的情况下计算只考虑了垂直wall平面方向的传热,而勾选shell conduction的情况下计算不单考虑垂直wall平面方向的传热,还考虑了沿着wall平面的传热。比如说传热较好的金属墙壁,勾选就要更接近真实情况

对固体板划分网格:

  1)在固体域求解能量方程

  2)板厚度需要用网格离散

  3)最精确的方法,但需要多计算网格

  4)由于壁面两侧都有网格,总是应用耦合热边界条件


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薄壁方法:

  1)人工模型模拟壁面热阻

  2)壁面需要必要的数据输入(材料导热系数,厚度)

  3)只有对内部边界用耦合边界条件


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壳导热模型:

  1)壳导热模型处理板内部的导热

  2)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

  3)固体属性必须是常数,不能和温度相关。


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  4)可以设置多层壁面,每层壁面可以设置不同的厚度和材料


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