自然對流的案例
請問自然對流和強制對流的邊界層厚度怎么計算？
自然對流有邊界層嗎？自然對流和強制對流的邊界層厚度怎么計算？
Boussinesq自然對流應用案例
上節主要說了采用Boussinesq假設的自然對流基礎理論，本節會講一下相應的Fluent應用案例，重點針對Boussinesq假設相關的關鍵設置詳細說明。
1.設置要點
首先不說廢話，先概括一下設置要點。如上節所述，我們已經知道Boussinesq假設主要針對動量方程的浮力項作了如下處理，這里就引出了三個量：操作密度ρ0、熱膨脹系數β及操作溫度T0。
那么該設置要點就是：
（1）勾選重力加速度
（2）設置操作密度ρ0、熱膨脹系數β及操作溫度T0。
2.案例概述
本例采用Fluent自帶的驗證算例說明，如下圖所示，一個長寬比為28.6的封閉空腔，上下水平壁面為絕熱壁面，兩個豎直壁面施加不同的壁面溫度，重力加速度為豎直Y方向，空腔內發生湍流自然對流，可以推算空腔內溫升并不大（溫升在20%以內），適用于Boussinesq假設。
3.操作流程
（1）進行總體設置。Steady，Pressure-based求解。由于自然對流是由于重力引起的，因此一定要勾選重力項。
（2）進行模型設置。因為考慮了溫度變化，打開能量方程；選擇Standard k-ε湍流模型，需要說明的是自然對流選擇層流還是湍流模型并不是根據雷諾數進行判斷，而是根據瑞利數Ra進行判斷：
層流和湍流的過渡區間很大，Fluent幫助文檔給出Ra=1e8作為參考，認為Ra>1e8時為自然對流湍流，相反為層流，大多數自然對流都為層流，本例較為特殊。
（3）進行材料屬性關鍵設置。進行材料屬性設置前，首先進行操作溫度T0設置,操作溫度一般選擇環境溫度，可以按照下圖原則進行設置。
展開 什么是自然對流Boussinesq假設？
電子散熱冷卻中經常采用Boussinesq假設來計算自然對流散熱，該方法計算速度快，計算穩定性高。
本文主要講述采用Boussinesq假設的自然對流原理、關鍵點及應用條件，下一篇會講述具體的應用案例。
為什么要采用Boussinesq假設？
自然對流主要由于密度受熱變化產生密度差造成，該現象可用如下的可壓縮N-S方程描述。
一方面可以看到該方程是高度非線性的，這種特性會造成求解變得不穩定；另一方面可以看到該方程需要求解的變量非常多，包括速度場u、v、w，壓力場p，密度場ρ等，內存需求比較大。
Boussinesq假設即為解決上述問題而產生，當然既然是假設，自然有一些適用前提，Boussinesq假設氣體密度變化非常小。
Boussinesq假設在方程中如何表現
好吧，下面講述一些枯燥的理論，即Boussinesq假設如何在方程中表現。主要分為以下幾步：
1.把氣體密度ρ寫成參考密度項ρ0與由于溫度引起的密度變化項△ρ之和。
根據假設，其中△ρ遠小于ρ0。
2.把方程（3）代入上述N-S方程（1）、（2），并得到如下方程。
自然對流中浮力是驅動力，因此動量方程（5）中的浮力項也是占主導作用，且密度變化△ρ遠小于參考密度ρ0,因此對于瞬態項、對流項可以忽略△ρ，即
最終簡化為
可以看到此時瞬態項、對流項的密度已被消去，只剩下浮力項還帶有密度，我們的目標是把浮力項中的密度也消去，這樣方程的非線性、內存需求都會降低。
3.浮力項密度可以用溫度代替嗎？帶著這樣一個疑問，在消去浮力項密度之前，首先定義一個名詞：熱膨脹系數β。
展開 Fluent自然對流模擬
要用Fluent模擬自然對流的速度場和溫度場，想知道各位都添加些什么邊界條件，入口，出口怎么設置，需要知道哪些參數？要不要算對流換熱系數---
傳熱計算-空腔自然對流換熱 ￥10
內部介質為空氣，在溫度影響下產生自然對流。
圖 1 幾何模型
2 劃分網格
上下邊界劃分300個節點，左右邊界劃分30個節點，共生成9000個四邊形網格。
邊界命名
3 設置邊界條件
設置重力加速度為-9.81m/s2，添加空氣相關參數。
原文檔在附件里，自行下載。
同心環的自然對流
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例模擬了同心環形域內的自然對流。內壁保持在比外壁更高的溫度，從而引起浮力誘導的環流。
計算域：外環半徑46.25 mm，內環半徑17.8 mm
物質屬性：物質密度為不可壓縮理想氣體，粘度為2.081e-5kg/m-s，比熱為1008 J/kg-K，導熱系數為0.02967 W/m-K
邊界條件：外環溫度為327 K，內環溫度為373 K
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為1200
計算設置
本次計算為穩態軸對稱計算，考慮重力影響。
物質屬性
計算物質設置密度等參數
湍流模型
選擇為層流
能量方程
激活能量方程
邊界條件
設置內外壁面的溫度
求解控制
（1）求解方法
（2）松弛因子
計算結果
計算域云圖展示
溫度云圖
計算值與實驗值對比
對比計算域底部對稱軸位置處溫度值對比
參考文獻
T.H. Kuehn, R.J. Goldstein, “An Experimental Study of Natural Convection Heat
Transfer in Concentric and Eccentric Horizontal Cylindrical Annuli”, Journal of Heat Transfer, Vol 100, pp. 635-640, 1978.
展開 操作技巧- Fluent自然對流冷卻仿真注意事項
根據用戶們向Ansys流體技術團隊反饋的在自然對流冷卻仿真過程中存在的問題，Ansys工程師做了系統的解答匯總。以下知識點雖然都是在Fluent中進行實現，但方法是普適的，在其它CFD軟件中計算時同樣需要注意，希望對大家有所幫助。
關鍵知識點匯總
?網格方面：空氣域需要有邊界層網格，且最大長寬比不宜超過40
?求解器方面：需要使用雙精度求解器
?打開重力
?物性密度方面
‐Incompressibleideal gas->指定操作密度
‐Boussinesq：要求溫度變化較小（<20%）; 指定操作溫度
?壓力空間離散格式: body force weighted 或者Presto!
?需要計算非穩態時間常數，時間步長取其1/4左右
?P-V耦合
‐推薦使用coupled; CFL設置為100，密度松弛因子0.8
‐simple也可以計算
?初始時使用一階算法，穩定后切換到二階
?Bodyforce 松弛因子不宜大于0.5
?必要時可關閉溫度的二階梯度
以下是對上述點具體實現的描述：
在WTM中可實現對長寬比生成的控制
打開重力
物性密度操作
壓力離散格式
時間步長計算
PV耦合
關閉溫度二階梯度
相關資料：
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來源：Ma Shihu，Jing Wenming，Ansys 流體大本營
展開 分享：空腔內自然對流
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例介紹了空腔內自然對流的湍流流動。兩個垂直墻保持在不同的溫度，而水平墻壁是絕熱的。
計算域：2.18m X 0.0762m
物質屬性：密度選擇Boussinesq假設，比熱為1005J/kg-K，粘度1.81e-05kg/m-s，摩爾數為28.966
邊界條件：低溫墻壁溫度為288.25 K，高溫墻壁溫度為307.85 K，上下墻壁為絕熱條件
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為24300
注意：這里在上下方各設置長度為0.05m的固體域
計算設置
本次計算為穩態湍流計算，考慮重力影響。
物質屬性
計算空腔內流體物質為空氣，設置它的密度、比熱、粘性等參數
設置上下兩側固體域物質為硬橡膠
湍流模型
選擇雷諾應力湍流模型
能量方程
激活能量方程
邊界條件
設置左右兩側高、低溫墻壁的溫度
設置上下兩側壁面為絕熱條件
設置流體域與固體域之間的墻壁邊界參數
設置求解方法和松弛因子
計算結果
計算域溫度場云圖
計算域速度場云圖
計算值與實驗值對比
y=0.109m位置處豎直速度值對比圖
y=0.109m位置處溫度值對比圖
參考文獻
P.L. Betts, I.H. Bokhari. "Experiments on turbulent natural convection in an enclosed tall cavity".
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——同心圓柱的自然對流
因為預期流動將圍繞中心線對稱進行，所以僅需要使用一半幾何，如下所示：
STAR-CCM+設置
（1）本案例流體是牽涉到溫度的自然對流問題，且流速很慢，因此選擇理想氣體的層流。本案例物理連續體的設置如下：
（2）在物理連續體的修改理想氣體的動力粘度和導熱率。
（3）在Regions >ConvectionCylinders節點，把圓柱的內壁和外壁的熱規范都改成溫度。然后把內壁的溫度改成306.3K，外壁溫度改成293.7K。（2）在物理連續體的修改理想氣體的動力粘度和導熱率。
（3）在Regions > ConvectionCylinders節點，把圓柱的內壁和外壁的熱規范都改成溫度。然后把內壁的溫度改成306.3K，外壁溫度改成293.7K。
（4）在Solvers> Coupled Implici節點，把庫朗數修改成100，加速收斂。點擊運算按鈕，計算結果如下：
圓柱中溫度分布
圓柱中速度矢量分布
本文轉自有限猿仿真博客，感謝原作者。如有侵權請立即聯系刪除。
展開 仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數仿真估算
仿真模型
導語
據悉，為研究鋰離子電池熱特性機理，針對電池表面自然對流換熱系數展開研究，通過實驗得到了電池基本生熱參數并以此建立了單體鋰離子電池生熱模型，仿真分析了恒溫條件下不同放電電流的表面自然對流換熱系數。
鋰離子電池因其高比能量特性而被廣泛應用于電動乘用車輛，其使用壽命受到自放電率、溫度等因素的制約。
研究發現，鋰離子電池舒適溫度需要控制在20~35 ℃之間，溫度過高時，其不可逆反應加劇容易產生自放電、熱失控等安全事故；溫度過低，則會使其容量和功率發生明顯下降。
因此，為了改善電動汽車單電池及電池成組后的安全性能，需建立較精確熱仿真模型，以此來預測動力鋰離子電池內部溫度分布狀況及熱傳遞過程，從而精確分析出鋰離子電池熱失控因素。
01
導讀
目前，國內外均針對鋰離子電池熱模型和熱行為進行了相關研究。早期美國D.Bernardi等[1]通過研究電池溫度特性提出了電池生熱率模型，之后通過研究人員的不斷發展研究，鋰離子電池熱模型已經呈現多維度趨勢發展；
Chen等[2]通過研究電池三維分層電化學-熱耦合模型仿真驗證了單體電池和成組電池包溫度分布的真實性；Lopez等[3]通過熱濫用模型實驗驗證了圓柱電池熱響應能力比棱柱電池小；Chacko等[4]將電-熱模型應用到恒流勻速和變電流工況中，研究發現變電流對電池溫升影響較高。
本文在前人研究基礎上，突破傳統仿真中將對流換熱系數、電壓溫度系數設定為常數，通過變化的電壓溫度系數來估算對流換熱系數，以此來達到更高的溫度仿真精度。
展開 「CFD案例-Fluent」23 固體圓柱自然對流換熱二維瞬態分析
本案例在ANSYS2019R3中演示了如何利用Fluent進行固體圓柱自然對流換熱二維瞬態CFD仿真。首先于DesignModeler中建立幾何模型，接著導入ANSYS Mesh進行網格劃分，并進行命名邊界條件，然后利用Fluent進行求解，最后在CFD-POST中進行后處理。案例基于2D、瞬態求解。
一
案例模型
二
Workbench設置
▼ 將Fluid Flow(Fluent)拖入右邊空白界面。
▼ 以DesignModeler方式打開Geometry。
模型建立完畢，轉入ANSYS Mesh，網格劃分。
三
Fluent設置
▼ 打開Fluent登錄界面進行設置。
展開 
模擬各類對流傳熱問題的方法
文章開始的母線板示例中假設自然對流傳遞到外部空氣空間。這是使用以下熱流邊界條件建模的:
其中，外部空氣溫度為 Text= 25℃ ， 是傳熱系數。
這個單值傳熱系數代表了氣流中所有局部變化的近似值和平均值。即使對于這個簡單的系統，任何介于 之間的值都可能是一個合適的傳熱系數，我們應該嘗試邊界情況并比較結果。
如果我們知道有一個風扇向這個結構上吹空氣，由于更快的氣流，我們使用一個傳熱系數 來表示增強的熱傳遞。
如果周圍的流體是水之類的液體，那么自由和強制傳熱系數的范圍就要寬得多。對于液體中的自然對流 ， 是典型的范圍。對于強制對流，范圍甚至更廣:。
顯然，為自然對流或強制對流輸入單值傳熱系數是一種過于簡化的做法，那么我們為什么要這樣做呢？第一，實現簡單，容易比較最好和最壞的情況。第二，邊界條件可以使用 COMSOL Multiphysics 軟件的基礎模塊施加。盡管如此，但其實 COMSOL 的傳熱模塊和 CFD 模塊也可以模擬更復雜的情況，接下來讓我們看看。
使用對流換熱關聯式
對流換熱關聯式 是為常見的幾何結構建立的一個經驗關系。當使用傳熱模塊或CFD模塊時，這些相關性由熱通量邊界條件提供，如下圖所示。
使用外部自然對流關聯式的垂直壁熱通量邊界條件。
使用這些關聯式要求我們輸入零件的特征尺寸。例如，對于母線板模型，我們使用外部自然對流、垂直壁相關性并選擇 10 厘米的壁高來模擬母線板垂直面的自然對流熱通量。還需要指定外部空氣溫度和壓力。這些值可以從 ASHRAE 數據庫中加載，我們在
之前的文章“如何模擬房屋內的溫度變化”
中描述了這個過程，歡迎查閱。
展開 基于Icepak的水下航行器電池艙段散熱仿真分析
3.1 自然對流散熱
圖2為自然對流條件下，電池模塊艙段中心截面的溫度氣流分布，其中電池模塊中上部的紅色區域溫度最高，最高可達63.4℃，電池模塊溫度沿中心向外逐漸降低，且底部電池單元的溫度比頂部電池單元的溫度低，最低約51℃。電池艙內空氣溫度分層，電池模塊周圍的氣體受熱，進而上升，在頂端遇到較冷的電池艙段內壁后，沿內壁下降，隨后在底部繼續受熱上升并進行循環，自然對流條件下，艙內空氣流動緩慢，最大氣流速度僅0.18m/s。電池模塊中心留有3 mm的縫隙，但縫隙較小，從縫隙中通過的氣流較少，無明顯散熱效果。
圖2 自然對流中心截面溫度氣流分布圖
3.2 風冷散熱
在電池模塊下方設置2個離心風機以加強艙內散熱效果，電池模塊艙段中心截面的溫度氣流分布如圖3所示，電池模塊中心溫度依舊最高，最高可達58℃，由于風機的作用，艙內空氣流速加快，氣流沿艙壁進行循環，平均速度可達0.5m/s，沿艙壁艙內空氣與電池艙段內壁的對流換熱增大，使得電池模塊的溫度出現明顯的降低，電池模塊最大溫度和平均溫度均下降5℃左右。
圖3 風冷散熱中心截面溫度氣流分布圖
自然對流和風冷散熱條件下的電芯最高溫度曲線如圖4所示，風冷散熱可明顯降低電池艙段內的電芯最高溫度，最大降幅在頂部33號電芯處可達8℃，在底部64號電芯的最小降幅也可達2.5℃。此外，風冷散熱對電芯之間的溫差無明顯改善作用，電芯的溫度分布情況也基本一致。
圖4 自然對流和風冷散熱的電芯最高溫度對比
3.3 風機功率對風冷散熱的影響
調節離心風機的散熱功率并匹配風量風壓P-Q曲線，使風機的功率分別為3 W、8 W和18 W,電芯最高溫度曲線如圖5所示，電芯的最高溫度在風機功率18W和3W時相差可達16℃，電芯之間的最大溫差也從8.7℃降低到5.7℃。
展開 自主仿真 | 基于PERA SIM Fluid逆變器熱分析
使用Couple算法，空間離散格式使用高精度的二階迎風格式，由于封閉空間自然對流情況收斂較為困難，因此打開偽瞬態選項以加強自然對流計算收斂穩定性。為瞬態的時間步長設置為1s，固體為瞬態時間步長為1000s。
創建主要熱源的溫度監測點，作為隨著計算迭代更新的監測值，輔助判斷計算的收斂情況。設置計算迭代的殘差收斂標準（如圖15）：
圖12求解算法、空間離散與時間離散
圖13溫度監控點設置
圖14計算設置
圖15收斂標準
4.計算結果分析
4.1 計算分析設置
計算開始后，通過殘差曲線和監測曲線來查看計算的收斂情況，待計算的殘差曲線平穩，監測的重要熱源部位的溫度曲線平穩認為計算收斂。通常需計算迭代約100步或更多。
圖16計算殘差與溫度監控曲線
4.2 計算結果
計算完成后，通過仿真分析的監測曲線可以直接輸出部分關注的分析結果，如溫度等。
通過云圖、矢量圖、流線等方式對仿真結果進行可視化的分析，包括：
溫度場結果云圖分布：
圖17溫度分布結果
由于溫度差異引起的自然對流與自然對流的換熱效果：
圖18自然對流效果分析
從以上的分析結果可以得到，在開放環境與額定工況下逆變器內部最高溫度355K（82℃左右），外殼最高溫度325K（52℃左右），并獲得外殼上的自然對流流速度與強度，為后續散熱設計提供數據參考。
展開 如何正確模擬不同類型的流體流動？
瑞利數和自然對流
在自然對流中，流動是由浮力驅動的。通常情況下，浮力是由于溫度差異而產生的，但濃度梯度也可能是驅動機制。自然對流在地球科學中發揮著重要的作用。在地球的外核，自然對流產生地球的磁場，在大氣層中，它決定了世界的氣候。
由于自然對流（例如在建筑物理學或電子設備中）引起的冷卻通常使用傳熱系數進行建模，傳熱系數是通過實驗或數值計算確定的。對于自然對流建模，我們總是需要將傳熱 和流動 接口相耦合才能完成。因此，非等溫流 接口是一個不錯的選擇。
表征自然對流的無量綱數稱為 瑞利 數，它是格拉曉夫數 Gr 和普朗特數 Pr 的乘積，其中格拉曉夫數表征的是浮升力和黏性力的比，普朗特數表征的是動量擴散和熱量擴散的比。
式中， 是熱膨脹系數， 是溫差, 這里 是處于活動狀態的浮力層的高度。還有一個與雷諾數類似的臨界瑞利數 。，意味著熱量只能通過傳導傳遞。，表示對流成為穩定層流狀態中的主要傳熱過程。隨著瑞利數的增加，穩定流變得不穩定，最后變成湍流。
不同配置下的流態
現在，我們來討論不同的流態以及適合每種流態的接口和研究類型。
1. 圓柱繞流
隨著雷諾數的增加，這種類型的流動會形成卡門渦街，這是一個沒有溫度變化的 CFD 驗證的基準示例。使用圓柱直徑作為計算圓柱周圍流動的雷諾數的特征長度。，材料屬性是恒定的（這對于其他障礙物也是類似的）。當雷諾數處于較大的范圍內時，障礙物后面的流場會形成周期性的漩渦，如下面的例子所示。
時的靜止速度場。流動是真正的層流并且有固定解。這種類型的流動可以通過 層流接口和穩態研究來求解。
時間為 ， 時，隨時間變化的速度場。速度場隨空間和時間而變化。采用合適的網格和時間步，此流動可以使用 層流接口和 瞬態研究來求解。
雷諾數的進一步增加將提高渦流的頻率并最終會導致湍流發生。
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