STAR-CCM+ | 太阳集热器仿真

太阳集热器仿真

本教程通过使用太阳载荷和多波段辐射模型来模拟太阳辐射效应。多波段辐射模型用于模拟薄玻璃的行为，该玻璃能透射大部分太阳辐射，同时吸收大部分红外辐射。在本教程中，为简单起见，玻璃在0.1至3.0 μm波长范围内被赋予高透射率，在3.0 μm至1.0 m波长范围内被赋予较低的透射率。

虽然此处使用多波段辐射模型来表示随波长变化的辐射特性，但模拟太阳辐射并不强制要求使用多波段模型。如果不考虑随波长变化的特性，也可以在使用灰体辐射光谱模型的情况下应用太阳载荷。

通过比较两组结果，来评估这种额外的热传递机制对集热器整体热传递的影响。

分析涵盖以下传热模式：

• 传导
• 多波段热辐射
• 太阳载荷

注意：本教程中给出的辐射特性仅用于演示目的。

先决条件

本"多波段表面辐射"教程中的操作说明假定您已经熟悉 Simcenter STAR-CCM+ 中的某些技术。

在开始本教程之前，请确保您熟悉以下技术：

如果您还没有下载教程文件包，请先下载。请参阅"从支持中心门户网站下载教程文件"。

注意：边界的非辐射热条件保持不变。

加载现有仿真

本教程为您提供了一个包含预定义对象的仿真文件。

加载初始仿真：

1. 启动 Simcenter STAR-CCM+。
2. 选择 文件 > 加载仿真...
3. 在"加载仿真"对话框中，单击浏览...
4. 在"打开"对话框中，导航到已下载教程文件中的 heatTransferAndRadiation 文件夹。
5. 选择 SurfaceToSurfaceRadiationThermalInsulator_final.sim，然后单击打开。
6. 在"加载仿真"对话框中，单击确定。
7. 将仿真另存为 solarCollector.sim。

修改模型选择

为太阳能集热器案例设置模型，以包含太阳载荷和多波段辐射。

本案例所需的大多数模型已经选定（参见"隔热材料教程"中的"设置模型"），因此无需重新指定。但是，需要应用太阳载荷并设置多波段辐射的属性。

对于物理连续体 连续体 > 空气，更改辐射模型的选择：

1. 在模型选择对话框的已启用模型组框中，取消选择灰体热辐射模型。
2. 按顺序选择以下模型：

1. 单击关闭。
2. 要查看模型，请展开 空气 > 模型节点。

模型节点展开示意图

由于需要在玻璃固体和空气中模拟太阳辐射传热，因此必须在固体连续体中激活多波段热辐射和太阳载荷模型。

对于物理连续体 连续体 > 玻璃，更改辐射模型的选择：

1. 在模型选择对话框的已启用模型组框中，取消选择灰体热辐射模型。
2. 按顺序选择以下模型：

1. 单击关闭。
2. 要查看模型，请展开 玻璃 > 模型节点。
3. 保存仿真。

设置太阳载荷模型属性

太阳载荷模型需要定义指定坐标系中的太阳方向向量、直接太阳通量和漫射太阳通量。

太阳方向向量定义为水平分量为 90 度，垂直分量为 0 度。

1. 选择 连续体 > 空气 > 模型 > 太阳载荷 > 手动指定节点，并将方位角设置为 -90，单位为度。

玻璃连续体的太阳载荷模型属性与空气连续体相同，可以从空气连续体节点复 制并粘贴。

1. 从 连续体 > 空气 > 模型 > 太阳载荷节点复 制，然后粘贴到 连续体 > 玻璃 > 模型 > 太阳载荷节点上。

如果需要，您可以检查太阳载荷节点的属性，以验证属性是否正确复 制。

1. 保存仿真。

设置多波段热辐射属性

本教程创建两个光谱波段。

第一个光谱波段覆盖 0.1 到 3.0 μm 的范围，第二个光谱波段覆盖 3.0 μm 到 1.0 m 的范围。

1. 展开 连续体 > 空气 > 模型 > 多波段热辐射节点。
2. 右键单击光谱波段节点并创建一个光谱波段。一个节点出现在光谱波段节点内：Thermal 1。
3. 创建第二个光谱波段。
4. 编辑 连续体 > 空气 > 模型 > 多波段热辐射 > 光谱波段节点，并设置以下属性：

还必须在玻璃连续体中创建相应的光谱波段。虽然可以通过重复相同的过程来完成，但通过复 制和粘贴可以更轻松地完成。

1. 从 连续体 > 空气 > 模型 > 多波段热辐射 > 光谱波段节点复 制，然后粘贴到 连续体 > 玻璃 > 模型 > 多波段热辐射 > 光谱波段节点上。此操作将两个节点 Thermal 1 和 Thermal 2 添加到玻璃连续体内的光谱波段节点中。
2. 保存仿真。

设置边界条件和值

应用多波段热辐射模型意味着必须修改边界和界面处的光学属性。

对于每个边界，现在需要为多波段热辐射模型创建的每个光谱波段设置发射率、反射率和透射率。为"隔热材料教程"设置的值用于 Thermal 2 光谱波段，并为 Thermal 1 光谱波段分配新的属性值。

为了确保 Thermal 1 光谱波段中的几乎所有能量都进入盒子，集热器顶部被分配了 0 的反射率和 0.98 的透射率。对于两个光谱波段，集热器底部被分配了 0 的反射率和 0 的透射率。

注意：边界的非辐射热条件保持不变。

1. 选择 区域 > 流体 > 边界 > collector > 物理值 > 表面发射率节点。

由于存在多个光谱波段，值属性采用数组配置文件值的形式。数组中的第一个值对应 Thermal 1 光谱波段，第二个值对应 Thermal 2 光谱波段。该数组以简短表示法显示，可以通过打开自定义编辑器完全查看。

1. 编辑值属性。
2. 在"表面发射率 - 值"对话框中，将 Thermal 1 和 Thermal 2（恒定发射率值）都设置为 1.0。

表面发射率设置对话框

1. 单击确定。
2. 编辑 collector > 物理值节点。

设置 side-1、side-2 和 side-3 壁面边界的光学属性：

1. 编辑 区域 > 流体 > 边界 > side-1 > 物理值节点。

side-1 节点的属性可以复 制并粘贴到 side-2 和 side-3 节点。

1. 从 side-1 节点复 制，然后粘贴到 side-2 和 side-3 节点上。

设置 top 边界节点的光学属性：

1. 编辑 区域 > 流体 > 边界 > top > 物理值节点。

与"隔热材料教程"中一样，还需要设置固体-流体界面两侧的光学属性。首先设置流体侧属性。

1. 编辑 区域 > 流体 > 边界节点。

为每个界面对应的固体侧设置相同的光学属性。一个有效的方法是复 制并粘贴相关节点。

1. 对于下面列出的每个边界名称，从 区域 > 流体 > 边界 中的节点复 制，然后粘贴到 区域 > 固体 > 边界 中具有匹配名称的边界节点上：

• bottom-solid1 [Interface 2]
• bottom-solid2 [Interface 4]
• top-solid1 [Interface 1]
• top-solid2 [Interface 3]

最后要设置的是固体区域的侧壁边界：

1. 编辑 区域 > 固体 > 边界 > side-solid1 > 物理值节点。

此设置导致固体边缘在两个光谱波段上的表面反射率均为 1.0。这些相同的设置将复 制到另一个固体边界。

1. 从 side-solid1 节点复 制，然后粘贴到 side-solid2 节点上。

设置界面处的表面透射率：

1. 展开交界面节点。
2. 在每个界面节点中，选择物理值 > 表面透射率节点，并按下表为每个界面设置值：

1. 保存仿真。

设置求解器参数

为确保求解收敛，减小流体分离能量的欠松弛因子。

使用以下步骤：

1. 选择 求解器 > 分离能量节点，并将流体欠松弛因子更改为 0.5。

求解器参数设置界面

1. 保存仿真。

使用绘图报告和监测

Simcenter STAR-CCM+ 可以在求解过程中动态监测几乎任何量。该过程涉及设置一个报告，定义关注的量以及被监测的区域部件。然后基于该报告定义一个监测器，控制更新频率和归一化特性。也可以从监测器创建一个图形绘图。

在"隔热材料教程"的报告、监测和绘图部分，已经为求解设置了一些报告和监测器。

1. 打开 Irradiation1 Monitor Plot 和 Reports Plot 绘图。

要监测第一个光谱波段的集热器辐照度，创建一个报告：

1. 创建一个面平均值报告。
2. 将报告重命名为 SpectralBand1Irradiation。
3. 选择 SpectralBand1Irradiation 节点并设置以下属性：

报告的设置现已完成，可以基于该报告创建监测器和绘图。

1. 右键单击 SpectralBand1Irradiation 节点，然后选择从报告创建监测器和绘图。
2. 打开绘图显示。

SpectralBand1Irradiation 监测绘图

一个名为 SpectralBand1Irradiation Monitor Plot 的新绘图显示出现在图形窗口中。此显示在运行开始时将自动更新边界太阳辐照度数据。

至此，案例的前处理设置完成。

1. 保存仿真。

运行仿真

可以通过显示初始温度分布来查看"隔热材料教程"的求解结果。

初始温度分布示意图

1. 打开 标量场景 1。图形窗口中会显示先前求解的温度分布。
2. 选择求解 > 清除求解。
3. 在"清除求解"对话框中，单击确定。

现在可以运行仿真了。生成一个新的求解。

1. 运行仿真。视角因子在仿真运行的第一次迭代期间重新计算。因此，在迭代信息出现之前，可以在输出窗口中看到此过程的报告。
2. 要在仿真运行时观察求解的更新，请查看标量场景、矢量场景和绘图显示。
3. 仿真运行完成后，保存它。

可视化结果

检查绘图和场景。

1. 计算结束时，要查看固-液界面处的辐照度变化，请激活 Irradiation1 Monitor Plot 显示。

Irradiation1 Monitor Plot

由于额外的太阳辐照，边界辐照度高于"隔热材料教程"中的对应值。

1. 要查看集热器处的太阳辐照度，请查看 SpectralBand1Irradiation Monitor Plot 显示。

SpectralBand1Irradiation Monitor Plot

1. 要查看收敛解的温度结果，请查看标量场景 1 显示。

收敛温度分布

与之前的求解相比，最高温度增加了约 80 K。

1. 查看报告绘图显示，查看流体和固体的最高温度监测器曲线图。
2. 要放大图形的相关部分，请编辑绘图 > 报告绘图 > 轴节点，并设置以下属性：

报告绘图 - 温度监测曲线

与之前求解的报告绘图比较。由于太阳辐射效应，流体的最高温度从约 540 K 增加到约 620 K。固体的最高温度从约 490 K 增加到约 580 K。

可以运行 Heat Flux 1 报告。

1. 要确定离开系统顶部边界的热通量，请运行 HeatFlux1 报告。

2. 输出

   窗口将显示离开系统的热通量。  

热通量报告输出

1. 保存仿真。

总结

本"多波段表面辐射"教程使用了"隔热材料教程"中的几何体和初始问题设置，介绍了 Simcenter STAR-CCM+ 的多项功能。

介绍的功能包括：

• 启动程序并加载现有仿真。
• 在问题条件中引入太阳载荷和多波段热辐射。
• 定义多波段热辐射的边界条件。
• 设置监测报告和绘图。
• 运行求解器直至残差幅度足够小。
• 使用可视化、报告和监测绘图功能分析结果。