ansys 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？
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(shù)？要不要算對流換熱系數(shù)---
同心環(huán)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(huán)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(huán)流。
計算域：外環(huán)半徑46.25 mm，內環(huán)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(shù)為0.02967 W/m-K
邊界條件：外環(huán)溫度為327 K，內環(huán)溫度為373 K
網(wǎng)格劃分
采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為1200
計算設置
本次計算為穩(wěn)態(tài)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(shù)
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 什么是自然對流Boussinesq假設？
電子散熱冷卻中經(jīng)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(wěn)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(chǎn)生密度差造成，該現(xiàn)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(wěn)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(chǎn)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(xiàn)
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(xiàn)。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(jù)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(tài)項、對流項可以忽略△ρ，即
最終簡化為
可以看到此時瞬態(tài)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(shù)β。
展開 
Boussinesq自然對流應用案例
上節(jié)主要說了采用Boussinesq假設的自然對流基礎理論，本節(jié)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(jié)所述，我們已經(jīng)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(shù)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(shù)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(fā)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(jù)雷諾數(shù)進行判斷，而是根據(jù)瑞利數(shù)Ra進行判斷：
層流和湍流的過渡區(qū)間很大，F(xiàn)luent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(shù)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(huán)境溫度，可以按照下圖原則進行設置。
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(shù)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(wǎng)格劃分
采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)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(wěn)態(tài)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(shù)
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(shù)
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 操作技巧- Fluent自然對流冷卻仿真注意事項
根據(jù)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(tǒng)的解答匯總。以下知識點雖然都是在Fluent中進行實現(xiàn)，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(wǎng)格方面：空氣域需要有邊界層網(wǎng)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(wěn)態(tài)時間常數(shù)，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(wěn)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(xiàn)的描述：
在WTM中可實現(xiàn)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
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來源：Ma Shihu，Jing Wenming，Ansys 流體大本營
展開 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(chǎn)生自然對流。
圖 1 幾何模型
2 劃分網(wǎng)格
上下邊界劃分300個節(jié)點，左右邊界劃分30個節(jié)點，共生成9000個四邊形網(wǎng)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(shù)。
原文檔在附件里，自行下載。
[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(xù)體的設置如下：
（2）在物理連續(xù)體的修改理想氣體的動力粘度和導熱率。
（3）在Regions >ConvectionCylinders節(jié)點，把圓柱的內壁和外壁的熱規(guī)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(xù)體的修改理想氣體的動力粘度和導熱率。
（3）在Regions > ConvectionCylinders節(jié)點，把圓柱的內壁和外壁的熱規(guī)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(jié)點，把庫朗數(shù)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(lián)系刪除。
展開 仿真模型 | 圓柱鋰電池表面自然對流換熱系數(shù)仿真估算
內核生熱率及對流換熱系數(shù)計算如式(10)如下：
04
對流換熱系數(shù)仿真估算
4.1 問題描述及仿真流程
單體電池熱特性本文中只考慮其表面對流換熱的影響，傳統(tǒng)電池熱特性仿真方法是通過建立所需熱模型，之后將設定參數(shù)導入到分析軟件進行產(chǎn)品分析。
仿真流程圖主要介紹了集成ANSYS和MATLAB兩個軟件，以及在操作過程中主要文件交互。本文通過仿真計算的方法進行對流換熱系數(shù)確定，以溫度作為參考數(shù)值，進行問題描述。
優(yōu)化目標：MinimizeX
設計變量：X={x1,x2, x3, x4,x5, x6, x7,x8, x9, x10}
式中：x1~x10是將放電深度分為10個區(qū)間下的對流換熱系數(shù)。
4.2 電池計算模型確定
在模擬恒溫環(huán)境下鋰離子電池不同放電情況下的熱場時，需將電池置于一個較大的空氣域區(qū)間，該空氣域區(qū)間是100 mm×100 mm×200 mm。圖7(a)為鋰電池幾何計算模型，包含正極、負極、內核、空氣域，采用自動網(wǎng)格劃分，電池區(qū)域進行網(wǎng)格細化處理，所得有限元網(wǎng)格細化模型如圖7(b)所示，網(wǎng)格單元有267 726個。仿真通過ANSYS中Fluent軟件進行瞬態(tài)求解，模擬環(huán)境溫度均設置為27 ℃，求解采用SIMPLE算法。
展開 「CFD案例-Fluent」23 固體圓柱自然對流換熱二維瞬態(tài)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(tài)CFD仿真。首先于DesignModeler中建立幾何模型，接著導入ANSYS Mesh進行網(wǎng)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(tài)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(wǎng)格劃分。
三
Fluent設置
▼ 打開Fluent登錄界面進行設置。
展開 
