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1、航空工程先进数值计算技术航空工程先进数值计算技术应用计算流体力学应用计算流体力学教教 师：屈秋林师：屈秋林办公室：新主楼办公室：新主楼C1114电电 话：话：82339592电电 邮：邮：传热模拟传热模拟能量方程能量方程能量输运方程能量输运方程:单位质量的能量定义为单位质量的能量定义为:对于可压缩流动或者密度基求解器，能量项中包含压力做功和动能；对对于可压缩流动或者密度基求解器，能量项中包含压力做功和动能；对于压力基求解器，这两项被忽略，需要通过文本命令添加：于压力基求解器，这两项被忽略，需要通过文本命令添加：TUI 命令命令 define/models/energy?中包含更多的选项。中包含
2、更多的选项。热传导热传导组分扩散组分扩散粘性耗散粘性耗散对流项对流项非定常项非定常项源项源项能量方程中的项能量方程中的项 粘性耗散粘性耗散由于粘性耗散带来的能量方程由于粘性耗散带来的能量方程源项为源项为:也叫做粘性热也叫做粘性热当流动中的粘性剪切应力较大当流动中的粘性剪切应力较大（例如，润滑）或者为高速可压（例如，润滑）或者为高速可压缩流动时，粘性热很重要。缩流动时，粘性热很重要。通常是可以忽略的通常是可以忽略的在压力基求解器中，默认情况下在压力基求解器中，默认情况下被忽略被忽略在密度基求解器中，总被包含在密度基求解器中，总被包含当当Brinkman数接近或者超过数接近或者超过1时，时，粘性热
3、变得重要粘性热变得重要 能量方程项能量方程项 组分扩散组分扩散组分扩散引起的能量源项，在多组分扩散引起的能量源项，在多组分流动中可以被激活。组分流动中可以被激活。包含由于组分扩散引起的焓包含由于组分扩散引起的焓 的输运的输运在密度基的求解器中总是激活在密度基的求解器中总是激活在压力基的求解器中可以关闭在压力基的求解器中可以关闭在反应流中，将包含化学反应引起的能量源项在反应流中，将包含化学反应引起的能量源项所有组分生成的焓所有组分生成的焓所有组分的体积反应率所有组分的体积反应率辐射也会引起能量源项辐射也会引起能量源项界面能量源界面能量源连续相和离散相之间的热量交换连续相和离散相之间的热量交换能量
4、方程的项能量方程的项 源项源项固体区域的能量方程固体区域的能量方程可以计算固体区域中的热传导问题，其能量输运方程为可以计算固体区域中的热传导问题，其能量输运方程为h 是显焓是显焓:固体内部热传导可以是固体内部热传导可以是 各向异性的各向异性的 (仅对压力基求解器仅对压力基求解器)壁面边界条件壁面边界条件五种热边界条件五种热边界条件热通量热通量温度温度对流对流模拟外部的对流环境（用户描述传热系数）模拟外部的对流环境（用户描述传热系数）辐射辐射模拟外部的热辐射环境（用户描述表面发射率和辐模拟外部的热辐射环境（用户描述表面发射率和辐射温度）射温度）混合混合对流和辐射边界对流和辐射边界 条件的组合条件
5、的组合壁面的材料和厚度可以定义壁面的材料和厚度可以定义 为为1D或者壳体导热件。或者壳体导热件。耦合传热耦合传热在耦合传热计算中，固体内的热传导与流体内的热对流耦合。在耦合传热计算中，固体内的热传导与流体内的热对流耦合。在定义流体在定义流体/固体交界面的壁面上采用耦合边界条件。固体交界面的壁面上采用耦合边界条件。绕热杆的冷却液流动绕热杆的冷却液流动网格速度矢量温度云图联合传热的例子联合传热的例子电路板电路板(外部冷却外部冷却)k=0.1 W/mKh=1.5 W/m2 KT=298 K空气入口空气入口V=0.5 m/sT=298 K电子元件电子元件(只模拟了一半只模拟了一半)k=1.0 W/mK
6、热产生率是热产生率是2瓦特瓦特壁面壁面(冷却壁面冷却壁面)h=1.5 W/m2 KT=298 K对称面对称面空气出口空气出口建立问题建立问题 确定热源确定热源在固体区域内添加热源来模拟电子元件产生的热量。在固体区域内添加热源来模拟电子元件产生的热量。温度分布温度分布(前视图和俯视图前视图和俯视图)流动方向流动方向对流边界对流边界1.5 W/m2 K298 K 自由流动的温度自由流动的温度对流边界对流边界1.5 W/m2 K298 K 自由流动的温度自由流动的温度前视图前视图俯视图俯视图(关于对称面进行了镜像关于对称面进行了镜像)电子元件电子元件(固体区域固体区域)2 瓦的热源瓦的热源电路板电路
7、板(固体区域固体区域)空气空气(流体区域流体区域)298426410394378362346330314Temp.(F)流动方向流动方向另一种模拟方法另一种模拟方法也可以将电路板模拟为一个有厚度的壁面（也可以将电路板模拟为一个有厚度的壁面（Thin Wall model）此时没有必要在下表面的固体区域划分网格。此时没有必要在下表面的固体区域划分网格。固体区域内划分网格固体区域内划分网格 vs.薄壁方法薄壁方法固体区域内划分网格固体区域内划分网格在固体区域内求解能量方程在固体区域内求解能量方程此种方法是最为精确的方法，但是却要求更多的网格此种方法是最为精确的方法，但是却要求更多的网格总是使用耦合
8、热边界条件，因为在壁面的两侧都有单元总是使用耦合热边界条件，因为在壁面的两侧都有单元流体区域流体区域固体区域固体区域双侧壁面双侧壁面通过能量方程直接计算壁面的热阻通过能量方程直接计算壁面的热阻;可以计算出固体区可以计算出固体区域内温度沿着厚度的分布，计算双向的传热。域内温度沿着厚度的分布，计算双向的传热。固体区域内划分网格固体区域内划分网格 vs.薄壁方法薄壁方法薄壁方法薄壁方法利用模型直接计算壁面热阻利用模型直接计算壁面热阻在壁面边界条件中提供必要数据（材料热导率和薄壁厚度）在壁面边界条件中提供必要数据（材料热导率和薄壁厚度）仅仅对于内部壁面使用耦合传热的边界条件仅仅对于内部壁面使用耦合传热
9、的边界条件流体区域流体区域单侧壁面单侧壁面在模型中利用壁面厚度和材料类型可以计算薄壁的热阻，薄壁在模型中利用壁面厚度和材料类型可以计算薄壁的热阻，薄壁内温度沿着厚度方向的分布假设为线性分布，该方法只能计算内温度沿着厚度方向的分布假设为线性分布，该方法只能计算沿着壁面法向的热传导。如果选用壳传热单元，则可计算壳内沿着壁面法向的热传导。如果选用壳传热单元，则可计算壳内的传热。的传热。薄壁模型仅仅应用于法向热传导计算（不能够计算壁面内热传薄壁模型仅仅应用于法向热传导计算（不能够计算壁面内热传导），并且不需生成真实的网格单元。导），并且不需生成真实的网格单元。壁面边界条件应用在外层壁面边界条件应用在外
10、层薄壁模型中温度的定义薄壁模型中温度的定义壁面的热边界条件静温(cell value)薄壁(无网格)壳体热传导壳体热传导壳体热传导能够用来计算壳内的传热问题。壳体热传导能够用来计算壳内的传热问题。产生额外的传热单元，但是产生额外的传热单元，但是 这些单元不能够被展示，这些单元不能够被展示，也不能够被也不能够被UDFs访问。访问。导热区域内的固体属性必须是导热区域内的固体属性必须是 常数，不能随着温度变化。常数，不能随着温度变化。静温静温(单元值单元值)虚拟的导热单元虚拟的导热单元自然对流自然对流当流体吸收热量，流体的密度随当流体吸收热量，流体的密度随 温度发生变化时，将产生温度发生变化时，将产
11、生 自然对流现象。自然对流现象。自然对流是由密度变化引起的重力自然对流是由密度变化引起的重力 差异所驱动的。差异所驱动的。当考虑重力项时，动量方程中的压力梯度和体力项变化为当考虑重力项时，动量方程中的压力梯度和体力项变化为当激活重力项时，压力变换可以避免截断误差。当激活重力项时，压力变换可以避免截断误差。自然对流自然对流 Boussinesq模型模型Boussinesq模型假设流体的密度是均匀的，因此对动量方程中模型假设流体的密度是均匀的，因此对动量方程中沿着重力方向的体力项按下式计算沿着重力方向的体力项按下式计算当密度变化微小时正确当密度变化微小时正确(即温度变化微小即温度变化微小)。与将流
12、体的密度作为温度的函数相比，与将流体的密度作为温度的函数相比，Boussinesq近似在许多近似在许多自然对流的模拟中改善了收敛情况。自然对流的模拟中改善了收敛情况。常密度假设降低了非线性。常密度假设降低了非线性。当密度变化较小时是适用的。当密度变化较小时是适用的。不能够和组分输运及反应流一起使用。不能够和组分输运及反应流一起使用。封闭区域内的自然对流问题封闭区域内的自然对流问题对于定常求解器对于定常求解器,必须采用必须采用Boussinesq模型。模型。对于非定常求解器对于非定常求解器,可以使用可以使用Boussinesq模型或者理想气体定律。模型或者理想气体定律。自然对流中用户的输入自然对
13、流中用户的输入在操作条件面板中定义重力加速度在操作条件面板中定义重力加速度定义密度模型定义密度模型(有多种选择有多种选择)Boussinesq 模型模型激活重力加速度激活重力加速度设置参考温度设置参考温度,T0选择选择Boussinesq模型作为密度模型作为密度 计算方法，设置常值，计算方法，设置常值，0设置热膨胀系数，设置热膨胀系数，如果使用随温度变化的密度模型如果使用随温度变化的密度模型 (理想气体理想气体,Aungier-Redlich-Kwong,多项式多项式):设置操作密度，或者设置操作密度，或者,允许允许 FLUENT 从单元平均值计算从单元平均值计算 0 热辐射热辐射当当 和热传
14、导以及热对流的大小想当时，必须和热传导以及热对流的大小想当时，必须考虑到热辐射效应考虑到热辐射效应-斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数,5.6710-8 W/(m2K4)为了计算热辐射，必须求解辐射强度输运方程。为了计算热辐射，必须求解辐射强度输运方程。辐射强度输运方程通常独立于流场求解而单独求解，然而也可以和流场辐射强度输运方程通常独立于流场求解而单独求解，然而也可以和流场耦合在一起求解。耦合在一起求解。辐射强度辐射强度,I(r,s),具有方向性。具有方向性。FLUENT中包含了五种辐射模型中包含了五种辐射模型Discrete Ordinates Model(DOM)Discrete Tr
15、ansfer Radiation Model(DTRM)P1 Radiation ModelRosseland ModelSurface-to-Surface(S2S)数据报道数据报道 热通量热通量热通量报道热通量报道:通过检查热量平衡，通过检查热量平衡，可以检查流场是否真的收敛可以检查流场是否真的收敛输出热通量的数据输出热通量的数据:可以将壁面的热通量数据输出到可以将壁面的热通量数据输出到 文件文件 可以使用下列文本命令可以使用下列文本命令file/export/custom-heat-flux File format for each selected face zone:zone-name nfacesx_f y_f z_f A Q T_w T_c HTC作业作业NASA_SC_2_-0710超临界翼型，弦长10m迎角：3度马赫数Ma=0.8飞行高度：11Km工况1：采用定常计算，模拟温度场；工况2：在工况1的基础上对翼型表面进行加热，翼面温度为300K，计算3秒，模拟温度场变化。