Ansys Fluent的wall boundary condition之熱邊界條件等

您將輸入墻邊界的以下信息:

對(duì)于固定墻,請(qǐng)在“ 墻運(yùn)動(dòng)”下選擇“ 固定墻”選項(xiàng)。

如果要在計(jì)算中包括墻的切線(xiàn)運(yùn)動(dòng),則需要定義平移或旋轉(zhuǎn)速度或速度分量。在“ 墻運(yùn)動(dòng)”下選擇“ 移動(dòng)墻”選項(xiàng)。“ 墻”對(duì)話(huà)框?qū)⒄归_(kāi),如圖6.46:“移動(dòng)墻”的“墻”對(duì)話(huà)框所示,以顯示墻速度條件。

請(qǐng)注意,您不能使用移動(dòng)墻條件來(lái)建模問(wèn)題,其中相對(duì)于相鄰單元格區(qū)域的墻運(yùn)動(dòng)具有垂直于墻本身的分量。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題,請(qǐng)考慮使用“滑動(dòng)或動(dòng)態(tài)網(wǎng)格”方法,如“ 使用滑動(dòng)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)格對(duì)流進(jìn)行建?！敝兴?/span>。ANSYS Fluent將忽略您使用以下方法指定的壁運(yùn)動(dòng)的任何正常分量。

提供四種類(lèi)型的剪切條件:

默認(rèn)為不打滑狀態(tài),它表示流體粘附在壁上,并且在移動(dòng)時(shí)以與壁相同的速度移動(dòng)。指定的剪切應(yīng)力和Marangoni應(yīng)力邊界條件在建模條件中很有用,在這種情況下,已知剪切應(yīng)力(而不是流體的運(yùn)動(dòng))。此類(lèi)情況的示例包括施加的剪應(yīng)力,滑動(dòng)壁(零剪應(yīng)力)和自由表面條件(零剪應(yīng)力或取決于表面張力梯度的剪應(yīng)力)。指定剪切邊界條件允許指定的,和剪切應(yīng)力的分量作為常數(shù)值或輪廓。Marangoni應(yīng)力邊界條件允許您指定表面張力相對(duì)于該表面溫度的梯度。根據(jù)溫度的表面梯度和指定的表面張力梯度計(jì)算剪切應(yīng)力。Marangoni應(yīng)力選項(xiàng)僅適用于求解能量方程的計(jì)算。

鏡面系數(shù)剪切條件專(zhuān)門(mén)用于顆粒流的多相中。鏡面反射系數(shù)是將動(dòng)量傳遞到墻的碰撞比例的度量,其值范圍在零到1之間。該實(shí)現(xiàn)基于Johnson and Jackson [51]的粒狀流邊界條件。

在“ 墻”對(duì)話(huà)框的“ 動(dòng)量”選項(xiàng)卡中輸入剪切條件,該選項(xiàng)卡從“ 邊界條件”任務(wù)頁(yè)面打開(kāi)(如“ 設(shè)置單元格區(qū)域和邊界條件”中所述)。

您可以通過(guò)在“ 剪切條件”下選擇“ 無(wú)滑移”選項(xiàng)來(lái)為無(wú)滑移墻建模。這是粘性流中所有壁的默認(rèn)設(shè)置。

除了粘滯流默認(rèn)的無(wú)滑墻外,您還可以通過(guò)指定零或非零剪切來(lái)建模滑墻。對(duì)于非零剪切,要指定的剪切是流體在壁上的剪切。要指定剪切,請(qǐng)在“ 剪切條件”下選擇“ 指定剪切”選項(xiàng)(請(qǐng)參見(jiàn)圖6.47:“指定剪切”的“墻”對(duì)話(huà)框)。然后,您可以輸入和在剪切應(yīng)力下的剪切分量。“ 指定剪切”選項(xiàng)不使用用于湍流的墻函數(shù)。

圖6.47:“指定剪力”的“墻”對(duì)話(huà)框

對(duì)于多相顆粒流,您可以指定鏡面反射系數(shù),以便當(dāng)該值為零時(shí),此條件等效于壁上的零剪切,但是當(dāng)該值接近于1時(shí),會(huì)有大量的橫向動(dòng)量傳遞。要指定鏡面反射系數(shù),請(qǐng)在“ 剪切條件”下選擇“ 鏡面反射系數(shù)”選項(xiàng)(請(qǐng)參見(jiàn)圖6.48:“鏡面反射系數(shù)的墻”對(duì)話(huà)框),然后在“ 鏡面反射系數(shù) ”下的文本輸入框中輸入所需的值。

圖6.48:“鏡面反射系數(shù)”的“墻”對(duì)話(huà)框

ANSYS Fluent還可以對(duì)由于溫度引起的表面張力變化而引起的剪切應(yīng)力進(jìn)行建模。施加在墻上的剪應(yīng)力為

其中,是相對(duì)于溫度的表面張力梯度,是表面梯度。然后將該剪切應(yīng)力應(yīng)用于動(dòng)量方程。

要為墻建模Marangoni應(yīng)力,請(qǐng)在剪切條件下選擇Marangoni應(yīng)力選項(xiàng)(請(qǐng)參見(jiàn)圖6.49:Marangoni應(yīng)力的Wall對(duì)話(huà)框)。該選項(xiàng)僅適用于求解能量方程的計(jì)算。然后,您可以在“ 表面張力梯度”字段中輸入表面張力梯度(在公式6–110中)。Marangoni Stress選項(xiàng)不使用用于湍流的墻函數(shù)。

圖6.49:“ Marangoni應(yīng)力”的“墻”對(duì)話(huà)框

在各種情況下都會(huì)遇到在粗糙表面上流動(dòng)的流體。除其他外,示例包括飛機(jī)表面(特別是由于積冰),船舶,渦輪機(jī)械,熱交換器和管道系統(tǒng)的表面流動(dòng),以及粗糙度不同的地形上的大氣邊界層。壁面粗糙度會(huì)影響壁上的阻力(阻力)以及熱量和質(zhì)量的傳遞。

如果模擬湍流壁面邊界流,其中的壁粗糙度的影響被認(rèn)為是顯著,您可以包括通過(guò)孔的表面粗糙度的影響 基準(zhǔn)法的最墻修改粗糙度法律的墻式修改您可以使用其他粗糙度模型之一進(jìn)行結(jié)冰模擬。

 

6.3.15.2.8.1。針對(duì)粗糙度修改的標(biāo)準(zhǔn)墻面法則

在粗糙的管道和通道上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)以通常的半對(duì)數(shù)比例繪制時(shí),粗糙壁附近的平均速度分布具有相同的斜率()但截距不同(對(duì)數(shù)律中的加性常數(shù))。因此,針對(duì)粗糙度修改的平均速度的壁法則具有以下形式:

(6-11)

在哪里和

(6-12)

其中的粗糙度函數(shù)可量化由于粗糙度影響而引起的截距的偏移。

通常,取決于粗糙度的類(lèi)型(均勻的砂子,鉚釘,線(xiàn),肋,網(wǎng)格線(xiàn)等)和粗糙度的大小。沒(méi)有適用于所有類(lèi)型粗糙度的通用粗糙度函數(shù)。但是,對(duì)于沙粒粗糙度和相似類(lèi)型的均勻粗糙度元素,已發(fā)現(xiàn)與無(wú)量綱粗糙度高度(其中物理粗糙度高度和)高度相關(guān)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明,粗糙度函數(shù)不是的單一函數(shù),而是根據(jù)值采用不同的形式。已經(jīng)觀察到存在三種不同的機(jī)制:

• 流體動(dòng)力學(xué)平穩(wěn)()

• 過(guò)渡性()

• 完全粗糙()

根據(jù)數(shù)據(jù),粗糙度影響在流體動(dòng)力學(xué)平穩(wěn)狀態(tài)下可以忽略不計(jì),但在過(guò)渡狀態(tài)下變得越來(lái)越重要,在完全粗糙的狀態(tài)下可以充分發(fā)揮作用。

在ANSYS Fluent中,將整個(gè)粗糙度方案細(xì)分為三個(gè)方案,然后使用Cebeci和Bradshaw基于Nikuradse的數(shù)據(jù)[22]提出的公式  對(duì)每種方案進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于流體動(dòng)力學(xué)平穩(wěn)狀態(tài)():

(6-13)

對(duì)于過(guò)渡制度():

(6-14)

哪里是粗糙度常數(shù),取決于粗糙度的類(lèi)型。

在完全粗糙的狀態(tài)下():

(6-115)

在解算器,給定粗糙度參數(shù),使用相應(yīng)的式(評(píng)估公式6-113,式6-114,或式6-115)。然后,使用公式6–111中的修改后的壁厚 定律來(lái)評(píng)估壁厚和其他壁函數(shù)處的平均溫度和湍流量的剪應(yīng)力。

 代表對(duì)數(shù)速度曲線(xiàn)的下移,如下圖所示:

圖6.50:對(duì)數(shù)速度曲線(xiàn)的下移

對(duì)于較大的粗糙度高度和較低的,此向下偏移會(huì)導(dǎo)致奇異性。根據(jù)湍流模型和近壁處理,ANSYS Fluent中使用了兩種不同的方法來(lái)避免此問(wèn)題:

• 降低粗糙度,降低高度

  第一種方法是基于網(wǎng)格細(xì)化來(lái)重新定義粗糙度高度:

  (6-116)

  這樣可以確保在接近零時(shí)也是如此。因此,在這種情況下,對(duì)于粗糙壁的網(wǎng)格要求為 ,以保持粗糙度對(duì)流的完全影響。

• 幾乎在移動(dòng)墻

  第二種方法基于以下觀察結(jié)果:僅在水力光滑的壁附近才完全建立了粘性子層。在過(guò)渡粗糙度狀態(tài)下,粗糙度元素比粘性子層稍厚,并開(kāi)始干擾它,因此在完全粗糙的流動(dòng)中,子層被破壞,粘性作用可以忽略。下圖說(shuō)明了使用具有緊密堆積的球體層的壁的等效沙粒粗糙度,其平均粗糙度高度代表具有不同形狀和大小的峰和谷的技術(shù)粗糙度(請(qǐng)參見(jiàn)Schlichting和Gersten [108]):

  圖6.51:等效沙粒粗糙度的圖示

  
  
  

  可以假定,粗糙度具有阻塞效應(yīng),大約是其高度的50%(請(qǐng)注意,上圖顯示了三維排列的二維剖視圖)。

  因此明智的做法是將壁虛擬移動(dòng)到粗糙度元素高度的50%。這將導(dǎo)致第一個(gè)像元中心的校正值:

  (6-17)

  這給出了由表面粗糙度引起的正確位移。因此,避免了奇點(diǎn)問(wèn)題,并且可以正確處理細(xì)網(wǎng)格。

第二種方法(即虛擬地移動(dòng)壁)是將所有基于-方程的雙方程湍流模型和隨后的 基于-方程的湍流模型與標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)一起使用時(shí)對(duì)粗糙壁的默認(rèn)處理方法。 可擴(kuò)展墻函數(shù)(請(qǐng)注意,與使用標(biāo)準(zhǔn)墻函數(shù)相比,建議使用可擴(kuò)展墻函數(shù)):

• 標(biāo)準(zhǔn),RNG和可實(shí)現(xiàn)- 模型

• 雷諾應(yīng)力模型

具有粗糙壁的所有其他模型組合(例如,Spalart-Allmaras模型)對(duì)細(xì)網(wǎng)格沒(méi)有特殊的校準(zhǔn),因此使用第一種方法(隨著高度的減小而減小粗糙度高度)。

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注意:   毛坯墻不能與以下模型組合一起使用:

• 強(qiáng)化墻處理或Menter-Lechner近墻處理的方程模型

  請(qǐng)注意,以下是相關(guān)的方程模型:

  • 所有- 模型(即標(biāo)準(zhǔn),RNG和可實(shí)現(xiàn))

  • 選擇了線(xiàn)性壓力-應(yīng)變模型的雷諾應(yīng)力模型

  • 選擇了Realizable k-epsilon選項(xiàng)的分離渦流仿真(DES)模型

• 選擇了Stress-Omega或 Stress-BSL模型的雷諾應(yīng)力模型

• 過(guò)渡- - 模型

• 大渦模擬(LES)模型

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重要提示:   在使用ANSYS Fluent 14之前,使用基于-方程的湍流模型時(shí),未應(yīng)用公式6–117所述的偏移。您可以使用以下scheme命令恢復(fù)以前的代碼行為:

(rpsetvar'ke-rough-wall-processing-r14?#f) (型號(hào)已更改)

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6.3.15.2.8.1.1。設(shè)置粗糙度參數(shù)

粗糙度參數(shù)位于“ 壁”對(duì)話(huà)框的“ 動(dòng)量”選項(xiàng)卡中 (請(qǐng)參見(jiàn)圖6.49:“馬蘭戈尼應(yīng)力”的“壁”對(duì)話(huà)框),可從“ 邊界條件”任務(wù)頁(yè)面中打開(kāi)(如“ 設(shè)置像元區(qū)域和邊界條件”中所述)。

為了模擬墻面平整度的影響,你必須指定兩個(gè)粗糙度參數(shù):粗糙高度,和粗糙度常數(shù),。默認(rèn)的粗糙度高度()為零,對(duì)應(yīng)于光滑的壁。為了使粗糙度生效,您必須為指定非零值。為了獲得均勻的沙粒粗糙度,可以簡(jiǎn)單地將沙粒的高度取為。但是,對(duì)于不均勻的沙粒,平均直徑()將是更有意義的粗糙度高度。對(duì)于其他類(lèi)型的粗糙度,可以將“等效”沙粒粗糙度高度用于。僅當(dāng)認(rèn)為每個(gè)表面的高度恒定時(shí),上述方法才有意義。但是,如果粗糙度常數(shù)或粗糙度高度不是恒定的,則可以指定輪廓(請(qǐng)參見(jiàn)輪廓)。類(lèi)似地,可以使用用戶(hù)定義的函數(shù)來(lái)定義不恒定的壁粗糙度高度。有關(guān)用戶(hù)定義函數(shù)的格式的詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn)Fluent Customization Manual。

選擇合適的粗糙度常數(shù)()主要取決于給定粗糙度的類(lèi)型。確定默認(rèn)的粗糙度常數(shù)(),以便在與- 湍流模型一起使用時(shí),可以再現(xiàn)尼古拉德針對(duì)用緊密堆積,均勻的沙粒粗糙度進(jìn)行粗糙化處理的管道的阻力數(shù)據(jù)。當(dāng)要建模的粗糙度與均勻的沙粒相差很大時(shí),可能需要調(diào)整粗糙度常數(shù)。例如,有一些實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明,對(duì)于不均勻的沙粒,肋骨和金屬絲網(wǎng)粗糙度,較高的值()更合適。不幸的是,有一個(gè)明確的選擇指南 對(duì)于任意類(lèi)型的粗糙度不可用。

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注意:   粗糙壁制劑的使用壁(的虛擬移優(yōu)點(diǎn)方程6-117相比減少粗糙度高度)減小(等式6-116)是,它消除了所有的限制相對(duì)于嚙合壁附近的分辨率,因此可以在任意精細(xì)的網(wǎng)格上使用。

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6.3.15.2.8.2。用于結(jié)冰模擬的其他粗糙度模型

如果您選擇了附加粗糙度型號(hào)可供選擇 Spalart-Allmaras湍流或SST在K-ω模型粘性模式對(duì)話(huà)框。有關(guān)更多信息,請(qǐng)參見(jiàn)使用湍流模型中的步驟。啟用這些粘性模型之一后,將在“ 動(dòng)量”選項(xiàng)卡的“ 壁邊界條件”面板上的 “ 壁粗糙度 → 粗糙度模型 → 高粗糙度(結(jié)冰)”下使用其他粗糙度模型。關(guān)于湍流模型的處理的討論 高粗糙度(結(jié)冰)啟用中給出了Spalart-Allmaras湍流模型的治療結(jié)冰模擬和對(duì)SST模型模擬結(jié)冰治療。這些模型主要是針對(duì)結(jié)冰應(yīng)用的仿真而設(shè)計(jì)和測(cè)試的,但是它們也可用于邊界層已完全解析且表面粗糙度相對(duì)于近壁網(wǎng)格較大的其他應(yīng)用。

請(qǐng)注意,高粗糙度(結(jié)冰) 模型僅對(duì)低Re數(shù)湍流有效,或需要精細(xì)的近壁網(wǎng)格(網(wǎng)格應(yīng)完全解析邊界層)。

圖6.52:用于高粗糙度(結(jié)冰) 模型的“墻”對(duì)話(huà)框

您有以下選擇:

• 規(guī)定的粗糙度

• NASA相關(guān)性

• 申塔爾

• ICE3D粗糙度文件

 

6.3.15.2.8.2.1。規(guī)定的粗糙度

“ 指定的粗糙度”選項(xiàng)與“ 標(biāo)準(zhǔn)粗糙度”模型中的相同 。有關(guān)更多詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn)設(shè)置粗糙度參數(shù)。

 

6.3.15.2.8.2.2。NASA相關(guān)性

如果選擇了NASA Correlation選項(xiàng),則使用經(jīng)驗(yàn)性NASA相關(guān)性計(jì)算表面沙粒粗糙度高度,以結(jié)冰氣流[110]。沙粒粗糙度高度由以下系數(shù)的乘積計(jì)算得出:

(6-118)

(6-19)

(6-120)

哪里是自由流速度,是自由流溫度,LC是 液體含量(在大多數(shù)情況下,水積冰),c為特征長(zhǎng)度和。

然后可以從以下公式獲得沙粒粗糙度高度:

(6-12)

 

6.3.15.2.8.2.3。申塔爾

如果選擇“ Shin-et-al”選項(xiàng),則使用“ Shin and Bond”公式[110]計(jì)算表面沙粒粗糙度的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性,該公式將修改NASA相關(guān)性(有關(guān)變量的說(shuō)明,請(qǐng)參見(jiàn)NASA Correlation)。以下因素:

(6-12)

其中MVD是液滴的平均直徑(液滴直徑)。沙粒粗糙度高度的相應(yīng)值可從以下公式獲得:

(6-123)

 

6.3.15.2.8.2.4。ICE3D粗糙度文件

如果選擇了ICE3D粗糙度文件,則將從FENSAP-ICE獲取的基于節(jié)點(diǎn)的輸入文件中讀取沙粒粗糙度高度。該文件必須具有格式,并且可以通過(guò)File → Read → Profile在Fluent中進(jìn)行讀取。將FENSAP-ICE粗糙度文件讀入Fluent后,文件名將出現(xiàn)在下拉列表中。

對(duì)于固定的熱通量條件,請(qǐng)在“ 熱條件”下選擇“ 熱通量”選項(xiàng)。然后,您需要在“ 熱通量”字段中為墻表面的熱通量設(shè)置適當(dāng)?shù)闹?/span>。您可以通過(guò)設(shè)置零熱通量條件來(lái)定義絕熱壁。這是所有墻的默認(rèn)條件。

要選擇固定溫度條件,請(qǐng)在“ 墻”對(duì)話(huà)框的“ 熱條件”下選擇“ 溫度”選項(xiàng)。您將需要指定墻面溫度(溫度)。使用公式6–125或公式6–126計(jì)算到壁的熱傳遞。

對(duì)于對(duì)流換熱壁邊界,請(qǐng)選擇“ 熱條件下的對(duì)流 ” 。您輸入的傳熱系數(shù)和自由流溫度將使ANSYS Fluent使用公式6–129計(jì)算到墻壁的傳熱。

如果您需要關(guān)注模型外部的輻射熱傳遞,則可以在“ 墻”對(duì)話(huà)框中啟用“ 輻射”選項(xiàng),并設(shè)置“ 外部輻射率”和“ 外部輻射溫度”。

您可以通過(guò)選擇“ 混合”選項(xiàng)來(lái)選擇將對(duì)流和輻射邊界條件組合在一起的熱條件。在這種熱條件下,您需要設(shè)置傳熱系數(shù),自由流溫度,外部發(fā)射率和外部輻射溫度。

在對(duì)具有擾動(dòng)的流動(dòng)層和/或受干擾的邊界層的應(yīng)用程序的傳熱進(jìn)行建模時(shí),可能有必要使用對(duì)流增強(qiáng)因子來(lái)增加對(duì)擴(kuò)散熱通量的計(jì)算。此類(lèi)應(yīng)用包括對(duì)引擎蓋和車(chē)身底部熱負(fù)荷進(jìn)行建模,以及在完全預(yù)熱的排氣系統(tǒng)中進(jìn)行瞬態(tài)傳熱。

對(duì)流增強(qiáng)因子表示測(cè)得的Nusselt數(shù)與理想流的Nusselt數(shù)之比。您可以使用以下文本命令來(lái)定義它:

define →交通 boundary-conditions →交通 wall

系統(tǒng)將提示您將定義Convective Augmentation Factor為配置文件或單個(gè)值。請(qǐng)注意,值1(默認(rèn)值)表示不增加擴(kuò)散熱通量,而值大于1則表示增加擴(kuò)散。有關(guān)詳細(xì)信息,請(qǐng)參閱方程qid中DEFINE_HEAT_FLUX的的流利定制手冊(cè)。

默認(rèn)情況下,墻的厚度為零。但是,您可以結(jié)合任何熱條件在墻壁上模擬薄薄的一層材料。例如,您可以模擬兩個(gè)流體區(qū)域之間的一片鈑金,實(shí)體區(qū)域上的涂層或兩個(gè)實(shí)體區(qū)域之間的接觸電阻的效果。ANSYS Fluent將求解一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程,以計(jì)算墻體提供的熱阻和墻體中的熱量。

要在傳熱計(jì)算中包括這些影響,您將需要指定材料的類(lèi)型,壁的厚度以及壁中的熱發(fā)生率。在“ 材料名稱(chēng)”下拉列表中選擇材料類(lèi)型,然后在“ 壁厚”字段中指定厚度。如果要檢查或修改所選材質(zhì)的屬性,可以單擊“ 編輯...”以打開(kāi)“ 編輯材質(zhì)”對(duì)話(huà)框;該對(duì)話(huà)框僅包含所選材質(zhì)的屬性,而不包含標(biāo)準(zhǔn)“ 創(chuàng)建/編輯材質(zhì)”對(duì)話(huà)框的全部?jī)?nèi)容。

當(dāng)您指定厚度時(shí),該壁將被視為耦合壁,其中與流體/固體單元相鄰的表面稱(chēng)為“壁表面”。參見(jiàn)圖6.54:薄壁。

圖6.54:薄壁

壁的熱阻為,其中是壁材料的電導(dǎo)率,是壁厚。您設(shè)置的熱壁邊界條件將在與流體/固體單元隔開(kāi)壁厚的表面上指定。在墻的這一側(cè)指定的溫度為。

在熱量產(chǎn)生率字段中指定墻內(nèi)的熱量產(chǎn)生率。例如,如果您要在印刷電路板上建模時(shí)知道電路中的功耗,則此選項(xiàng)很有用。

當(dāng)對(duì)具有厚度但沒(méi)有啟用外殼導(dǎo)電的壁進(jìn)行后處理時(shí),“ 溫度...”類(lèi)別提供了三個(gè)選項(xiàng):相鄰流體/固體單元的溫度存儲(chǔ)為“ 靜態(tài)溫度”;壁面本身的溫度存儲(chǔ)為壁溫;將與流體/固體小室隔開(kāi)壁厚的表面溫度存儲(chǔ)為“ 壁溫(薄)”。如果需要對(duì)實(shí)體區(qū)域和曲面進(jìn)行更詳細(xì)的分析,則應(yīng)考慮在網(wǎng)格化應(yīng)用程序中創(chuàng)建實(shí)體單元層。

如果壁區(qū)域的每一側(cè)都具有流體或固體區(qū)域,則稱(chēng)為“雙面壁”。當(dāng)您在ANSYS Fluent中讀取帶有這種類(lèi)型的墻區(qū)域的網(wǎng)格時(shí),將自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)“陰影”區(qū)域,以便墻的每一側(cè)都是一個(gè)不同的墻區(qū)域。在“ 墻”對(duì)話(huà)框中,陰影區(qū)域的名稱(chēng)將顯示在“ 陰影面區(qū)域”字段中。您可以選擇在每個(gè)區(qū)域上指定不同的熱條件,或耦合兩個(gè)區(qū)域:

要為墻啟用殼傳導(dǎo),請(qǐng)在“ 墻邊界條件”對(duì)話(huà)框中啟用“ 殼傳導(dǎo)”選項(xiàng)。然后,您可以單擊“ 編輯...”按鈕打開(kāi)“ 殼導(dǎo)電層”對(duì)話(huà)框,您可以在其中定義殼單層或多層的屬性。請(qǐng)注意,您必須為殼體的每一層指定一個(gè)非零的壁厚。啟用殼導(dǎo)熱后,ANSYS Fluent將不僅沿法線(xiàn)方向(在求解能量方程式時(shí)始終計(jì)算),而且還沿平面方向計(jì)算壁的導(dǎo)熱率。在殼牌傳導(dǎo)選項(xiàng)將出現(xiàn)在墻激活能量方程式的求解時(shí),所有墻的對(duì)話(huà)框均適用(映射接口除外)。有關(guān)如何將熱條件應(yīng)用于啟用了殼體傳導(dǎo)的壁,如何管理多個(gè)殼體以及對(duì)殼體傳導(dǎo)壁進(jìn)行后處理的信息,請(qǐng)參閱殼體傳導(dǎo)注意事項(xiàng)。

ANSYS流利的外殼傳導(dǎo)情況可以串行或并行讀取。可以并行讀取已分區(qū)或未分區(qū)的案例文件( 有關(guān)分區(qū)的更多信息,請(qǐng)參見(jiàn)網(wǎng)格分區(qū)和負(fù)載平衡)。并行讀取案例文件后,可以在任何墻上創(chuàng)建外殼區(qū)域。

只需一次操作,define/boundary-conditions/modify-zones/create-all-shell-threads即可將有限厚度的每面墻都轉(zhuǎn)換為殼體,可以使用TUI命令。每個(gè)轉(zhuǎn)換后的殼將具有與原始薄壁相同厚度的單層(任何先前存在的殼將不被修改)。要通過(guò)一次操作禁用每個(gè)壁中的殼傳導(dǎo),define/boundary-conditions/modify-zones/delete-all-shells可以使用TUI命令。這些功能在串行和并行模式下均可用。

系統(tǒng)耦合允許從ANSYS Fluent輸入和輸出熱數(shù)據(jù)。當(dāng)Fluent使用System Coupling與Workbench中的另一個(gè)系統(tǒng)耦合時(shí),您可以在所需的墻邊界上選擇via System Coupling選項(xiàng),以通過(guò)System Coupling服務(wù)接收熱數(shù)據(jù)。請(qǐng)注意,無(wú)需選擇此選項(xiàng)即可提供Fluent的熱數(shù)據(jù)。

有關(guān)使用系統(tǒng)耦合設(shè)置仿真的更多詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn)《使用Fluent執(zhí)行系統(tǒng)耦合仿真》和《系統(tǒng)耦合用戶(hù)指南》。

通過(guò)系統(tǒng)耦合將熱數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽luent中時(shí),以下變量可用:

通過(guò)系統(tǒng)耦合將熱量數(shù)據(jù)從Fluent傳輸出去時(shí),以下變量可用:

對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸,您可以在系統(tǒng)耦合設(shè)置過(guò)程中指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)念?lèi)型(傳輸?shù)淖兞?。

作為ANSYS Fluent中標(biāo)準(zhǔn)傳熱邊界條件設(shè)置的一部分,您還可以指定材料的類(lèi)型,壁的厚度以及壁中的發(fā)熱量。在“ 材料名稱(chēng)”下拉列表中選擇材料類(lèi)型;如果要檢查或修改所選材質(zhì)的屬性,可以單擊“ 編輯...”以打開(kāi)“ 編輯材質(zhì)”對(duì)話(huà)框(此對(duì)話(huà)框僅包含所選材質(zhì)的屬性,而不包含標(biāo)準(zhǔn)“ 創(chuàng)建”的全部?jī)?nèi)容。/編輯材料對(duì)話(huà)框)。您可以指定在厚度壁厚號(hào)碼輸入框,并在發(fā)熱率的發(fā)熱率號(hào)碼輸入框。

當(dāng)界面區(qū)域彼此穿透或在它們之間存在間隙時(shí),映射界面提供了一種強(qiáng)大的方法來(lái)建模區(qū)域之間的耦合壁(請(qǐng)參見(jiàn)圖6.56:具有穿透力和間隙的2D界面)。對(duì)于作為此類(lèi)界面的一部分創(chuàng)建的界面墻邊界區(qū)域,將自動(dòng)從“ 墻”對(duì)話(huà)框的“ 熱”選項(xiàng)卡的“ 熱條件”列表中選擇“ 通過(guò)映射的界面”,以?xún)?nèi)插熱數(shù)據(jù)。

有關(guān)映射接口的更多詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn)映射選項(xiàng)和ANSYS Fluent中的使用非共形網(wǎng)格。

圖6.56:具有穿透力和間隙的2D接口

此類(lèi)邊界還允許您指定標(biāo)準(zhǔn)的傳熱邊界條件設(shè)置,例如材料的類(lèi)型,壁的厚度以及壁中的熱發(fā)生率。在“ 材料名稱(chēng)”下拉列表中選擇材料類(lèi)型;如果要檢查或修改所選材質(zhì)的屬性,可以單擊“ 編輯...”以打開(kāi)“ 編輯材質(zhì)”對(duì)話(huà)框(此對(duì)話(huà)框僅包含所選材質(zhì)的屬性,而不包含標(biāo)準(zhǔn)“ 創(chuàng)建”的全部?jī)?nèi)容。/編輯材料對(duì)話(huà)框)。您可以在“ 壁厚數(shù)”輸入框中指定厚度,并在“發(fā)熱率”中指定發(fā)熱率數(shù)字輸入框。請(qǐng)注意,“ 外殼傳導(dǎo)”選項(xiàng)在“ 通過(guò)映射接口”熱條件下不可用。

如果在“ 物種模型”對(duì)話(huà)框中啟用了對(duì)壁表面反應(yīng)的建模,則可以指示是否應(yīng)為壁激活表面反應(yīng)。在“ 墻”對(duì)話(huà)框的“ 物種”選項(xiàng)卡中(圖6.57:“物種邊界條件輸入”的“墻”對(duì)話(huà)框),打開(kāi)或關(guān)閉“ 表面反應(yīng)”選項(xiàng)。

請(qǐng)注意,對(duì)于不參與任何表面反應(yīng)的物種,壁處假定為零梯度條件。

如果您使用的是VOF模型,并且正在建模墻壁附著力,則可以在“墻壁” 對(duì)話(huà)框的“ 動(dòng)量”選項(xiàng)卡中為墻壁上的每對(duì)相指定接觸角。有關(guān)詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn)設(shè)置邊界條件的步驟。

在層流中,壁切應(yīng)力由壁上的法向速度梯度定義為

當(dāng)壁上有陡峭的速度梯度時(shí),必須確保網(wǎng)格足夠細(xì),以準(zhǔn)確地解析邊界層。網(wǎng)格單元分布中提供了在層流中適當(dāng)放置近壁節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)則。

湍流的壁面處理 在《理論指南》中的“ 壁面湍流的近壁處理”中進(jìn)行了介紹。

當(dāng)在壁上施加固定溫度條件時(shí),從流體單元到壁的熱通量計(jì)算為

請(qǐng)注意,流體側(cè)的傳熱系數(shù)是根據(jù)局部流場(chǎng)條件(例如,湍流水平,溫度和速度曲線(xiàn))計(jì)算的,如公式6–132所述。

從固態(tài)單元到壁邊界的熱傳遞計(jì)算為

在壁上定義熱通量邊界條件時(shí),可以在壁表面指定熱通量。ANSYS Fluent使用公式6–125和您輸入的熱通量來(lái)確定與流體池相鄰的壁表面溫度,方法如下:

其中,如上所述,基于局部流場(chǎng)條件計(jì)算流體側(cè)傳熱系數(shù)。當(dāng)壁邊界為實(shí)心區(qū)域時(shí),壁表面溫度計(jì)算為

當(dāng)您在墻壁上指定對(duì)流傳熱系數(shù)邊界條件時(shí),ANSYS Fluent使用您的外部傳熱系數(shù)和外部散熱器溫度輸入來(lái)計(jì)算到墻壁的熱通量,如下所示:

公式6-129假定壁厚為零。

當(dāng)在ANSYS Fluent中使用外部輻射邊界條件時(shí),計(jì)算到墻壁的熱通量為

公式6–130假定壁的厚度為零。

選擇組合的外部傳熱條件時(shí),壁的熱通量計(jì)算為

變量如上定義。公式6-131假定壁厚為零。

在層流中,使用壁上的傅立葉定律計(jì)算壁上的流體側(cè)傳熱。ANSYS Fluent使用其離散形式:

垂直于墻的局部坐標(biāo)在哪里。

對(duì)于湍流,ANSYS Fluent使用熱和動(dòng)量傳遞之間的類(lèi)比推導(dǎo)得出溫度的壁面定律  [60]。有關(guān)詳細(xì)信息,請(qǐng)參見(jiàn)單獨(dú)的理論指南中的“ 標(biāo)準(zhǔn)墻函數(shù)”。