CFD 中的传热计算
从本周开始继续整理传热方面相关知识
今天总结下CFD传热计算的基本原则
一起来学习吧~
CFD模拟可以考虑自然界中几乎所有的传热模式，最基本的三种就是：热传导，热对流及热辐射。本文主要介绍这三种
其余物理过程中涉及到传热的还有相变，流固耦合传热，粘性耗散，组分扩散等，这些也都可以在Fluent的计算中实现。
计算所有这些类型的换热有一个前提是在Fluent中开启能量方程。
本文主要介绍基本的三种传热模式如何在fluent中计算。
（一）热传导
CFD计算中，对于固体和流体的热传导都可以考虑。热传导过程的换热量是基于傅里叶定律来计算的：
其中,
Q表示热流率，单位为W;
dT/dx为温度梯度，单位为°C/m;
A为导热面积，单位为m2；
λ为材料的导热系数，又称热导率，单位为W/(m°C) 。热导率是材料的固有的物理特性，代表材料的导热能力，导热系数越大，说明材料的导热性能越好。
因此，对于热传导计算，最关键的一步就是要定义材料的热传导系数，它可以是一个常数，矩阵，也可以是温度，空间等参数的函数。Fluent提供了多种输入方式。
对于各向同性的导热材料，固定的热传导系数是一个常数;
对于各项异性的材料，热传导系数就是以一个矩阵的形式输入
这些都可以在fluent中直接输入，若热导系数的函数比较复杂，也可以通过UDF来定义。
（二）对流传热
对流传热分为两种类型：自然对流和强制对流。
自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同导致流动，如暖气片附近的空气受热向上流动。
强迫对流是由于流体由于压差导致的流动。如冷却水路由水泵驱动流动，而不是密度差。
热对流的基本计算公式是牛顿冷却公式：
其中，
Q,A 与傅立叶公式中的Q,A代表的含义一致，分别为热流率与面积
ts与tf分别代表固体表面温度和流体温度；
h为对流换热系数，单位为W/m2°C，对流换热系数越大，传热越剧烈。
流体的热传递通常是与流动耦合计算，对流传热速率很大程度上取决于流体的速度，这个参数在fluent中不需要设置。
在固体和液体的共轭换热问题中，可以直接使用Fluent进行流固耦合计算，设置流体域与固体域之间的交界面的类型为Coupled ，壁面上的热交换会自动计算，不需要设置壁面的热交换参数。
自然对流的计算中，有以下两点需要注意：
自然对流中，通过瑞利数来判定流动形态：
其中，
为流体的运动粘度；注意，是运动粘度而不是动力粘度
为流体的热扩散系数；β为热膨胀系数；
L 为特征长度；
临界瑞利数为
，即瑞利数大于时可认为流动状态为湍流。
2.自然对流需激活重力项
自然对流的流动是由温度变化导致流体的密度差引起的重力驱动，因此在使用Fluent进行自然对流计算时，必须激活重力项，否则无法计算自然对流。
（三）热辐射
辐射传热是一种通过电磁波来进行传递能量的方式，和热传导，热对流不同的是，它可以在真空中发生。
对于半透明的物体（如车灯的玻璃），外界的能量可以透过物体进行传递，内部的整体都会参与计算，是一个和物体体积相关的量。
对于不透明物体来说，几乎所有的辐射都会在体内被吸收，只有表明会接受或反射热量，因此不透明物体的辐射能量与表面积相关。
辐射的能量计算公式如下：
其中，
ε 为物体的发射率，又称黑度，其值总小于1，它与物体的种类和表面状态有关；
σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量，又称黑体辐射常数，它是一个自然常数，值为5.67x10-8W/m2*k4；
考虑热辐射的计算量较大，在一般工程应用中，在辐射换热量不大时一般会忽略。
当辐射换热量与系统中的传导或对流传热量的数量级相当时，需要在计算时考虑辐射效应。
