輻射模型的案例
熱輻射的輻射模型
熱的對流、傳導、輻射是熱量傳遞的三種方式，熱輻射是指物體通過電磁波來傳遞能量（熱量，其實就是溫度的高低）。說人話就是物體放在那里就會通過輻射傳遞熱量，當然一般我們見到的都是兩種或者三種方式的熱量傳遞過程。其實很好區分，對流和傳導需要其它介質參與，而輻射只需要那個物體在就會進行輻射。 理解完輻射，來說輻射模型，既然有了輻射這種現象，我們如何描述空間種能量輻射的過程？對，輻射模型就是做這個的。 tip：做仿真的時候我們也會注意到這樣一個問題，我們需要設置介質，一個原因是往往是多個物理現象，另一個根本原因是不同介質的性質不同，參與輻射時的吸收率、散射系數、折射率都不相同。
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展開 FLUENT中的輻射模型
1、FLUENT中需要考慮熱輻射的情況
（1）火焰輻射熱傳遞
（2）表面對表面的輻射加熱或冷卻
（3）輻射、對流和導熱耦合傳熱
（4）HVAC應用中透過窗戶的熱輻射，以及汽車工業中車廂內的模擬
（5）玻璃加工、玻璃纖維拉拔及陶瓷加工過程中的輻射
2、FLUENT中的輻射模型
主要有5種輻射模型：DTRM模型、P1模型、Rosseland模型、P1模型、S2S模型
3、DTRM模型的優勢及限制
優勢：（1）模型較為簡單（2）可以通過增加射線數量來提高計算精度（3）可以用于光學深度非常廣的情況下。
限制：（1）假定所有表面都是散射的。意味著表面的入射輻射是關于入射角各向同性反射的。（2）不包括散射效應。（3）基于灰體輻射假定。（4）對于大數目的射線問題，非常耗費CPU時間。（5）不能與非共形交界面或滑移網格同時使用。（6）不能用于并行計算中。
4、P1模型的優勢及限制
優勢：（1）輻射模型為一個擴散方程，求解需要較少的CPU時間。（2）考慮了擴散效應。（3）對于光學深度比較大（如燃燒應用中），P-1模型表現非常好。（4）P-1模型使用曲線坐標很容易處理復雜幾何
限制：（1）假定所有的表面均為散射。（2）基于灰體輻射假定。（3）在光學深度很小時，可能會喪失精度。（4）傾向于預測局部熱源或接收器的輻射通量。
5、Rosseland輻射模型的優勢及限制
優勢：相對于P-1模型，它不求解額外的關于入射輻射的傳輸方程，因此比P-1模型計算要快，且更節省內存。
限制：只能用于光學深度比較大的情況，推薦用于光學深度大于3的情況下；不能用于密度基求解器。
6、DO模型的優勢及限制
DO模型能夠求解所有光學深度區間的輻射問題；能求解燃燒問題中的面對面輻射問題，內存和計算開銷都比較適中。
DO模型能用于計算半透明介質輻射。
展開 【CAE案例】室內火災的3D計算模擬
本文對庚烷在不同湍流模型和輻射模型下的燃燒行為進行了模擬以及對比。
03 庚烷燃燒模擬結果
對于不同湍流模型的速度(m/s)和溫度(℃)模擬結果如下：
k-ε模型速度場
k-ε模型溫度場
k-ω模型速度場
k-ω模型溫度場
LES模型溫度場
同樣地，不同輻射模型的模擬結果如下：
P1模型，衰減系數為常數0.35m-1
DOM模型，衰減系數為常數0.35m-1
DOM模型，衰減系數為0.05~0.35m-1
由上述圖像可知，對于不同湍流模型和輻射模型模擬結果雖有部分不同，但code_saturne的模擬結果總體上與實際情況相同，可以較好地對火災進行模擬。
04 算例2：酒店房間內的火災模擬
在之前簡單立方體模型的基礎上增加了一些家具的布置以模擬真實的房間環境，對酒店房間內的空間進行了建模以及網格劃分，如上圖所示。其中房間內的墻壁，隔板以及天花板等壁面結構都定義了厚度，材料，比熱容和傳熱系數；床，柜子等其他家具假設為相同燃燒熱20MJ/kg，以其總質量計算放熱。
05 酒店房間火災模擬結果
房間溫度(K)和空氣速度場(m/s)在不同時刻的變化如下圖所示：
可以看出，從開始燃燒起，室內溫度不斷增加，主要集中在點火區域；同時空氣流速也不斷增加，流動方向從初始燃燒區域沿天花板一直到走廊區域，符合實際情況。
房間內CO2在空氣中的質量占比(kg/kg)隨時間的變化如下圖所示：
同樣地，CO2在燃燒區域的占比隨時間越來越大，且主要集中在房間上方。然而上述模擬結果顯示燃燒產物CO2生成的速度太快，可能是因為入口空氣流量設置不準確所導致，因此需要進一步確定對流和擴散的流量。
展開 圓形活塞輻射阻抗的SPICE模型
這些聲學系統最常見的是圓形活塞模型。在數學上，帶障板圓形活塞的輻射阻抗是有確定的表達式的。但很多電路分析軟件并不支持Bessel函數等高階表達式。
因此，Scott Porter和Stephen Thompson在2009年AES 127th會議上發表了一篇論文《A Preliminary SPICE Model to Calculate the Radiation Impedance of a Baffled Circular Piston》，提出一種計算圓形活塞輻射的SPICE子電路，使得所有頻率的輻射阻抗都達到良好的近似。
借這個模型也來談談還是比較復雜的聲輻射阻抗。
數學模型
聲輻射阻抗相當于流體對聲源活塞表面的加載
其中實部
虛部
k是波數，a是活塞半徑，A是活塞面的面積，ρ0和c0是流體的密度和聲速。
實部和虛部隨ka的變化可以采用matlab，mathematica等數學軟件進行繪制。
近似表達式以及對應的SPICE模型
一般來說，我們是在遠場進行測量，即ka>>1。
在2ka>>1時，可以得到近似的表達式：
精確解和上述近似解的差異繪制如下：
在ka比較小時，對表達式進行級數展開
結合以上兩個近似表達式，可以在SPICE中構建出輻射阻抗電路
近似表達式和精確模型的對比
由以上SPICE中構建出電路得到的輻射阻抗實部和虛部：
相對誤差：
絕對誤差：
這種誤差程度在工程應用上是完全可接受的。
展開 
DO模型模擬頭燈傳熱輻射過程 ￥9.9
DO模型模擬頭燈傳熱輻射過程
【新聞】智能熱流體仿真軟件 - AICFD 2022R1版本發布
軟件現推出新版本2022 R1，此版本豐富了電子散熱仿真模型，增加了全新的燃燒模型和熱輻射模型，更新和豐富了軟件后處理及監控功能，并優化了智能加速、智能預測功能。
豐富電子散熱子模型
有效散熱對于電子產品的穩定運行和長期可靠性而言至關重要。隨著電子設備的小型化趨勢的持續增加，設備內流動空間被大幅壓縮，從而限制了對流散熱的范圍。傳統的CFD散熱分析已無法滿足電子產品設計行業需求，為了滿足各類工程散熱仿真需求，AICFD 2022R1在1.1版本基礎上豐富了電子散熱模型，增加子模型如下:
（1）域內風扇：用于模擬計算域內風扇模型，可選擇某計算域作為整個風扇模型，用戶也可以自定義風扇模型及其位置。
（2）PCB模型：PCB專用模型，可以設置PCB相關的多種參數：導電層覆蓋率、絕緣層穿孔大小、各層厚度等，通過計算PCB各層導熱率的方式簡化工業領域真實的印制電路板，達到近似模擬電路板傳熱的效果。
（3）
熱管：
作為電子散熱領域重要的散熱元件，具有高效的傳熱屬性，利用相變傳熱原理，達到快速傳熱的目的，此版本提供了雙熱阻模型。
（4）熱阻、熱沉：通過指定對應計算域的熱物理屬性來定義不同熱導率（包含各向異性）、比熱容的導熱介質。
圖1 電池包及筆記本散熱模擬
新增燃燒模型和熱輻射模型
（1）
燃燒模型：
包括層流總包反應、渦破碎、渦破碎/有限速率三種燃燒模型，可應用于工業汽輪機燃燒、鍋爐和熔爐燃燒器、照明彈及焚燒爐等案例場景。
展開 ICEPAK 4.3 中文練習教程
半立方體模型（Hemicube）：Hemicube模型是經典的角系數計算模型，比較適合幾何比較復雜的問題，
求解速度快。
自適應模型（Adaptive）：Adaptive模型會根據兩個輻射表面的位置自動選擇最合適的角系數計算方法：
1．Monte Carlo積分法 —— 兩個表面之間的輻射被其它物體部分遮擋；
2．幾何分析法 —— 兩個表面之間的輻射完全無遮擋，且兩個表面離得很近；
3．Gauss求積法 —— 兩個表面之間的輻射完全無遮擋，但兩個表面離得較遠。
目前商業熱分析軟件中只有ICEPAK擁有如此豐富的輻射模型，可以在各種計算工況中都可以獲得很高的求解精度。其它的商業軟件大多只有其中的某一種角系數計算方法，應用面很窄，很難保證計算精度。
展開 『分享』ICEPAK軟件介紹
輻射模型的仿真
在自然對流和空間熱分析中，輻射傳熱占據了很大的比重。
天然氣鍋爐燃燒數學模型的建立及驗證試驗設計
該模型的特點是意義比較明確，反應速率取決于湍流脈動衰變速率ε/k，并能自動選擇成分來控制速率，因此該模型既能用于預混火焰，也能用于擴散火焰，本文正是采用了這種模型
該模型的特點是意義比較明確，反應速率取決于湍流脈動衰變速率ε/k，并能自動選擇成分來控制速率，因此該模型既能用于預混火焰，也能用于擴散火焰，本文正是采用了這種模型。
（4）輻射換熱模型的選取
對許多燃燒過程，輻射是主要的能量傳輸方式。因此，燃燒的數值模擬中輻射換熱是非常重要。在一個典型的天然氣燃燒爐內，輻射主要包括主要是CO2和H2O兩方面。為了準確計算輻射換熱量，選擇合適的數學模型是至關重要的。
在本文所使用的軟件FLUENT中共提供了五種輻射模型，離散傳播輻射模型（DTRM），P1輻射模型，Rossland輻射模型，離散坐標輻射模型（DO），表面輻射模型（S2S）。本文綜合考慮了各個輻射模型的適用范圍以及現有計算機的計算能力，選用了P-1輻射模型。P-1法是最簡單的一種球諧函數法，它假定介質中的輻射強度沿空間角度呈正交球諧函數分布，并將含有微分、積分的輻射能量傳遞方程轉化為一組偏微分方程，聯立能量方程和相應的邊界條件便可以求出輻射強度和溫度的空間分布。與DO法相比，P-1法考慮了輻射散射的作用，更適用于光學厚度大和幾何結構復雜的燃燒設備，并且求解輻射能量方程所需要的時間短，比較適合求解電廠鍋爐中的燃燒。國內外的研究者在模擬電廠鍋爐燃燒時多用此模型。
3 試驗臺設計與搭建
本文在已有燃燒試驗臺基礎上進行改造，搭建U型管天然氣富氧燃燒系統。
（1）實驗系統簡介
本文所用實驗系統U型管燃燒室兩端分別用法蘭盤結構進行密封連接。設計容積熱負荷為864MJ/（m3.h）。主要包括包括U型管燃燒室及管路系統兩部分。實驗的系統圖和實物圖下圖。
展開 基于Icepak仿真太陽輻射對儲能工商業機柜的案例（包括仿真模型和仿真步驟） ￥80
對于工商業儲能機柜，應用于戶外，需要考慮太陽輻射對散熱影響，本案例基于icepak建立仿真模型，包括詳細仿真設置步驟及仿真模型，可直接下載運行出結果。
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CFD分析主要流程
VOF 模型、混合物模型和歐拉模型這三種模型都屬于用歐拉觀點處理多相流的計算方法，其中VOF 模型適合于求解分層流和需要追蹤自由表面的問題，比如水面的波動、容器內液體的填充等等；混合物模型和歐拉模型中則適合計算體積濃度大于10％的流動問題。
輻射模型
輻射模型能夠應用的典型場合包括：火焰輻射，表面輻射換熱，導熱、對流與輻射的耦合問題，HVAC（Heating Ventilating and Air Conditioning，采暖、通風和空調工業）中通過開口的輻射換熱以及汽車工業中車廂的傳熱分析，玻璃加工、玻璃纖維拉拔過程以及陶瓷工業中的輻射傳熱等。
常用到的輻射模型包括：離散傳播輻射（DTRM）模型、P-1輻射模型、Rosseland輻射模型、表面輻射（S2S）模型和離散坐標輻射（DO）模型。使用上述的輻射模型，用戶就可以在其計算中考慮壁面由于輻射而引起的加熱或冷卻以及流體相的由輻射引起的熱量或匯。
組分輸運和反應模型
在計算例如多種氣體組分擴散時需要使用組分輸運模型，如果還要分析例如燃燒的化學變化，則需要引入反應模型。一般的組分輸運和反應模型包括：通用有限速度模型、非預混和燃燒模型、預混和燃燒模型、部分預混和燃燒模型。
一般的商用CFD軟件中包含了一些常用的化學反應機理，但是對于特殊問題還是需要用戶自己來定義，或者使用第三方的專業化學反應模擬軟件來完成，例如chemkin等，CFD軟件一般都會設有導入chemkin軟件數據的接口來方便用戶使用。
噪聲模型
由氣體高速流動而引起的啟動噪聲也可以使用CFD的方法來進行模擬分析。氣動噪音的生成和傳播可以通過求解可壓 N-S方程的方式進行數值模擬。
展開 
開源CAE Code_Saturne案例 | 運用Code_Saturne對室內火災的3D計算模擬
本文對庚烷在不同湍流模型和輻射模型下的燃燒行為進行了模擬以及對比。
庚烷燃燒模擬結果
對于不同湍流模型的速度(m/s)和溫度(℃)模擬結果如下：
k-ε模型速度場
k-ε模型溫度場
k-ω模型速度場
k-ω模型溫度場
LES模型溫度場
同樣地，不同輻射模型的模擬結果如下：
P1模型，衰減系數為常數0.35m-1
DOM模型，衰減系數為常數0.35m-1
DOM模型，衰減系數為0.05~0.35m-1
由上述圖像可知，對于不同湍流模型和輻射模型模擬結果雖有部分不同，但Code_Saturne的模擬結果總體上與實際情況相同，可以較好地對火災進行模擬。
算例2：酒店房間內的火災模擬
在之前簡單立方體模型的基礎上增加了一些家具的布置以模擬真實的房間環境，對酒店房間內的空間進行了建模以及網格劃分，如上圖所示。其中房間內的墻壁，隔板以及天花板等壁面結構都定義了厚度，材料，比熱容和傳熱系數；床，柜子等其他家具假設為相同燃燒熱20MJ/kg，以其總質量計算放熱。
酒店房間火災模擬結果
房間溫度(K)和空氣速度場(m/s)在不同時刻的變化如下圖所示：
可以看出，從開始燃燒起，室內溫度不斷增加，主要集中在點火區域；同時空氣流速也不斷增加，流動方向從初始燃燒區域沿天花板一直到走廊區域，符合實際情況。
展開 空腔內的輻射換熱計算
計算設置
本次計算假定各向同性散射和輻射平衡，不考慮流場計算。
物質屬性
計算物質設置為空氣，設置它的散射系數為0.5/m
熱輻射模型
選擇DO熱輻射模型
邊界條件
設置墻體的溫度值
計算結果
計算域溫度云圖
計算值與實驗值對比
熱通量對比圖表
參考文獻
G.D Raithby, E.H. Chui. “A Finite Volume Method for Predicting a Radiant Heat Transfer in Enclosoures with Participating Media”. Journal of Heat Transfer. Volume 112, pp. 415-423, 1990
展開 CFX中常見問題解答
問題2）模擬小孔噴射流時，用哪個湍流模型比較合適，用最簡單的雙方程湍流模型是否能滿足要求？
答：湍流模型建議SST模型，據CFX官方資料，比k-e方程準確。?流體中文網論壇 -- 流體力學及
問題3）網格質量對cfx的計算影響？
答：如果物理現象比較清楚，設置也沒有問題，那么網格質量的影響就比較突出。 一般來說，結構化網格的質量要比非結構網格更好，且同樣的模型，前者的網格數量會比后者少很多，計算起來收斂性及精度都要好些。不過劃分起來比較麻煩，有些復雜模型恐怕很難實現。
問題4）當在定義流體區域時，Fluids List中選中兩種物質后，Fluid Models中就不能選擇輻射模型，怎樣才能解決？
答：CFX5.7.1目前的版本，多相流與輻射模塊是不能夠同時使用的。所以如果算相變的話，就沒法使用輻射模型。當然還是有辦法解決，可以將輻射作為源項，自己編表達式，將某一溫度下輻射熱量加入到方程中。
展開 汽車內空調系統模擬 ￥9.9
包括msh cas 模型
幾何模型
三維汽車結構
物理模型
模擬汽車夏季空調運行中轎車內的溫度分布
模擬轎車冬天暖氣運行中的溫度分布
評估汽車內氣流分布的性能
不同位置的溫度和速度
數值模型
湍流模型
標準k-e
輻射模型
離散傳播輻射模型（DTRM）
邊界條件
進風口
速度入口
窗戶-墻
wall
人體
wall
回風口
Pressure-outlet
空氣
Source term
室內照明散熱熱源
壁面函數
近壁面模型
松弛因子
壓力速度耦合方法
PISO
后處理
監視點
Report 統計量
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