自然對流模擬的案例
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---
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？
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 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 
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 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 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?。?lt;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
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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。
[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
內核生熱率及對流換熱系數計算如式(10)如下：
04
對流換熱系數仿真估算
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，之后將設定參數導入到分析軟件進行產品分析。
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確定，以溫度作為參考數值，進行問題描述。
優化目標：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個區間下的對流換熱系數。
4.2 電池計算模型確定
在模擬恒溫環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間，該空氣域區間是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，采用自動網格劃分，電池區域進行網格細化處理，所得有限元網格細化模型如圖7(b)所示，網格單元有267 726個。仿真通過ANSYS中Fluent軟件進行瞬態求解，模擬環境溫度均設置為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 
Fluent項目仿真
我們是一支來自北京的CFD仿真咨詢團隊，團隊成員均畢業重點大學，碩士，團隊成員具有6年以上CFD模擬仿真實際工作經歷，經驗豐富，涉及航天、機械、汽車、能源、電子和醫學等行業，可以承接傳熱、流體、燃燒、多孔介質和多相流等模擬仿真項目。我們提供咨詢、培訓、項目仿真與分析等服務，提交技術分析報告和ppt宣貫，一切以用戶需求為導向，提供個性化細分服務。現向有意向的企業或個人發出邀請函，希望能建立長期合作關系，我們會提供優質咨詢服務，成為貴企業CFD業務咨詢合作方。有意者請聯系：
手機：15210582942 QQ：914579406 請注明CFD
我們的口號：模擬也是生產力。
本團隊主要從事CFD數值模擬工作，時間已有六年之久，團隊成員均為重點高校研究生畢業，熟練使用FLUENT，CFX，ICEMCFD,GAMBIT等軟件，擅長ICEMCFD劃分結構化網格。
已承接并完成的項目涉及能源動力、航空、船舶、建筑、暖通、電力等諸多領域；
本團隊完成的項目：
? 換熱器流固熱耦合三維流場仿真；
? 多種翅片管換熱及流動特性模擬；
? 多孔介質區域流動模擬；
? 地埋式電纜空間自然對流模擬；
? 室內置換通風流場模擬；
? 建筑風場模擬；
? 濕式冷卻塔換熱模擬；
? 空冷換熱器、空冷島三維換熱流動模擬；
? 風力機等葉輪旋轉機械氣動力模擬；
? 復雜幾何結構氣動外流場模擬；
? 三維動網格模擬；
? 結合結構動力學Newmark-B法采用動網格模擬剛體渦振（二次開發）；
? 船體興波阻力模擬；
? 飛行器亞音速、跨音速、超音速、高超音速模擬；
? 旋轉電機流動與換熱模擬；
? 室內濕空氣換熱流動非穩態模擬（二次開發）；
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展開 【1月23-25日 北京+線上】ANSYS Fluent通用流體仿真核心技術應用與案例實戰
、模擬結果報告）
（11）FLUENT求解全流程案例詳細演示
四、FLUENT傳熱模擬
（1）導熱及對流換熱模擬（2）輻射模型及輻射換熱模擬
（3）自然對流模擬 （4）傳熱模擬的UDF
（5）對流換熱、輻射換熱、自然對流模擬要點總結及案例演示
五、FLUENT流固耦合
（1）流體及固體計算域（單向、雙向）（2）多計算域網格生成
（3）單雙向流固耦合計算域數據交換
（4）單雙向流固耦合模擬求解
（5）單雙向流固耦合模擬要點總結及案例演示
六、FLUENT多相流
（1）多相流流體力學知識（2）VOF模型及應用
（3）歐拉多相流模型（蒸發與冷凝、融化模型）
（4）混合多相流模型（包含空化模擬）
（5）多相流模型應用案例（氣液兩相流、液固兩相流、氣泡流動、攪拌混合器多相流、流化床模擬、空化模型案例等
七、DPM顆粒離散相模擬
（1）顆粒流DPM模型簡介（2）粒子特征及粒子軌跡計算方法
（3）DPM邊界條件 （4）DPM模擬及與流體耦合
（5） Fluent和edem藕合講解
（6）案例演示：霧化、液滴 煤粉及粉塵顆粒的DPM模擬案例
八、FLUENT化學反應與燃燒
（1）FLUENT化學反應模擬簡介
（2）FLUENT化學反應模型之渦耗散模型與非預混模型
（3）FLUENT化學反應模型之層流火焰面模型、預混燃燒模型、及部分預混燃燒模型
（4）FLUENT詳細化學反應模型、EDC及組分輸運PDF模型
（5）表面反應模擬及多孔介質反應模擬
（6）FLUENT離散相DPM反應和噴霧模型
（7）FLUENT污染物模型，NOx
展開 ANSYS Fluent通用流體仿真核心技術應用與工程實例培訓班
、模擬結果報告）
（11）FLUENT求解全流程案例詳細演示
四、FLUENT傳熱模擬
（1）導熱及對流換熱模擬（2）輻射模型及輻射換熱模擬
（3）自然對流模擬 （4）傳熱模擬的UDF
（5）對流換熱、輻射換熱、自然對流模擬要點總結及案例演示
五、FLUENT流固耦合
（1）流體及固體計算域（單向、雙向）（2）多計算域網格生成
（3）單雙向流固耦合計算域數據交換
（4）單雙向流固耦合模擬求解
（5）單雙向流固耦合模擬要點總結及案例演示
六、FLUENT多相流
（1）多相流流體力學知識（2）VOF模型及應用
（3）歐拉多相流模型（蒸發與冷凝、融化模型）
（4）混合多相流模型（包含空化模擬）
（5）多相流模型應用案例（氣液兩相流、液固兩相流、氣泡流動、攪拌混合器多相流、流化床模擬、空化模型案例等
七、DPM顆粒離散相模擬
（1）顆粒流DPM模型簡介（2）粒子特征及粒子軌跡計算方法
（3）DPM邊界條件 （4）DPM模擬及與流體耦合
（5） Fluent和edem藕合講解
（6）案例演示：霧化、液滴 煤粉及粉塵顆粒的DPM模擬案例
八、FLUENT化學反應與燃燒
（1）FLUENT化學反應模擬簡介
（2）FLUENT化學反應模型之渦耗散模型與非預混模型
（3）FLUENT化學反應模型之層流火焰面模型、預混燃燒模型、及部分預混燃燒模型
（4）FLUENT詳細化學反應模型、EDC及組分輸運PDF模型
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、模擬結果報告）
（11）FLUENT求解全流程案例詳細演示
四、FLUENT傳熱模擬
（1）導熱及對流換熱模擬（2）輻射模型及輻射換熱模擬
（3）自然對流模擬 （4）傳熱模擬的UDF
（5）對流換熱、輻射換熱、自然對流模擬要點總結及案例演示
五、FLUENT流固耦合
（1）流體及固體計算域（單向、雙向）（2）多計算域網格生成
（3）單雙向流固耦合計算域數據交換
（4）單雙向流固耦合模擬求解
（5）單雙向流固耦合模擬要點總結及案例演示
六、FLUENT多相流
（1）多相流流體力學知識（2）VOF模型及應用
（3）歐拉多相流模型（蒸發與冷凝、融化模型）
（4）混合多相流模型（包含空化模擬）
（5）多相流模型應用案例（氣液兩相流、液固兩相流、氣泡流動、攪拌混合器多相流、流化床模擬、空化模型案例等
七、DPM顆粒離散相模擬
（1）顆粒流DPM模型簡介（2）粒子特征及粒子軌跡計算方法
（3）DPM邊界條件 （4）DPM模擬及與流體耦合
（5） Fluent和edem藕合講解
（6）案例演示：霧化、液滴 煤粉及粉塵顆粒的DPM模擬案例
八、FLUENT化學反應與燃燒
（1）FLUENT化學反應模擬簡介
（2）FLUENT化學反應模型之渦耗散模型與非預混模型
（3）FLUENT化學反應模型之層流火焰面模型、預混燃燒模型、及部分預混燃燒模型
（4）FLUENT詳細化學反應模型、EDC及組分輸運PDF模型
（5）表面反應模擬及多孔介質反應模擬
（6）FLUENT離散相DPM反應和噴霧模型
（7）FLUENT污染物模型，NOx
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