Fluent求解器——热分析

【一、热传递方式详解

1. 热传导：在物体内部随分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动，在无相对位移情况下传递热能的过程，遵循傅立叶定律。大多数液体的导热系数随温度的升高而降低，除特殊的液体（水、水溶液及甘油）之外。

2. 热对流：流体宏观运动导致不同部分之间相互掺混，转移热量的过程，伴随着热传导。热对流只能在流体中发生。通常将流体流过物体表面时的热量传递称为对流传热，含盖自然对流和强制对流两种分类。




3. 热辐射：物体因热而发出的辐射能，理论上物体只要温度高于绝对零度，就会不断转化为辐射能向外发射，遵循斯忒藩玻尔兹曼定律（四次方定律）。

二、导热问题边界条件的分类

1. 第一类边界条件（Dirichlet条件）：规定边界上各点的温度，即壁面的表面温度固定。

2. 第二类边界条件（Neumann条件）：规定边界上的热流密度，即边界面上的热量流入流出量固定。

3. 第三类边界条件（Robin条件）：结合表面传热系数及环境温度，规定通过钢板的热量总和。

此外，辐射边界条件及混合边界条件亦需考虑。


三、在Fluent中设置热边界条件

默认状态下，Fluent将壁面设置为绝热，实际使用 Fluen 时，在能量方程下选项中选择"Wall""Thermal"，基于选择可分别设定第一、二、三类边界条件；Radiation 表示辐射条件，而"Mixed"则为混合条件。用户亦能设定壁面的发热功率。当软件处理共轭传热问题时会生成影子面，大部分问题则无需额外设置。

四、不同传热方式的计算方法


1. 热传导的计算：工程问题中常通过设置热阻的方法来解决。计算有三种方法：


创建具有厚度的薄壁网格并计算热阻。


设置虚拟壁面厚度，降低网格数量。

应用 Shell Conduction 方法同时考虑各个方向的热量传递，适合多层材料结构。

2. 热对流的计算：

强制对流采用合适的湍流模型，通常推荐 Realizable ke 或 SST kw 模型。

自然对流通过判断瑞利数的大小来确定流动状态，若大于特定值，则为湍流，需开启对应湍流模型。

计算设置上包含开启重力项、设置物理参数和密度模型。

3. 热辐射的计算：利用光学厚度的概念，Fluent提供多种辐射模型供不同场合选择使用。

五、Fluent热分析的基本步骤


打开源能量方程，考量是否需要开启重力项。


选择合适的湍流模型。


设置固体材料属性，关注密度模型是否必要调整。


根据问题设置各壁面的热边界条件。


确保压力离散格式设定正确。


完成初始化与计算过程。】

以上文字是对传热方式从理论到实践的过程描述，详细介绍了热传导、热对流、热辐射的不同特点，以及如何在Fluent软件中应用这些概念完成热分析，旨在帮助用户理解和实施热传递方面的计算与模拟。