輻射傳熱
關注創建者：匿名 創建時間：2022-04-19
輻射傳熱的視頻教程
Ansys Fluent從零基礎到熟練掌握系列課（十五）輻射傳熱
學習方法 2.案例15輻射傳熱 a. 流程步驟 b. 輻射理論和應用場景 c. 吸收系數和散射系數 d. 邊界設置 e. Fluent輻射模型 點擊鏈接可直接跳轉到總的系列課程鏈接。
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基于DO輻射模型的車燈傳熱模擬
1. fluent DO輻射模型傳熱仿真基本通用流程; 2. 半透明介質設置，各種關于輻射的參數解釋; 3. fluent后處理過程； 4.提供源文件與答疑過程；
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輻射傳熱的實例教程
在模擬輻射傳熱時，我們需要考慮輻射是如何從一個表面發出并被其他表面吸收的，以及表面與表面之間交換了多少輻射。在輻射傳熱建模系列文章的前兩篇中，我們已經討論了發射、反射和透射建模，今天我們將通過介紹角系數的概念，以及計算表面與表面之間輻射傳熱的各種方法，來完成輻射傳熱建模基礎知識的學習。
快速了解角系數
考慮兩個薄且扁平的物體，如下圖所示。假設紅外輻射 (IR) 光可以在這些表面周圍的空間自由傳播。這在真空中是成立的，并且在空氣以及許多其他室溫氣體下也是合理的。對于上述假設的無衰減傳播，可能不合理的情況包括：
吸收紅外光的氣體，例如水蒸氣
高溫氣體
帶有細小分散顆粒的氣體
發生化學反應的氣體
在不同溫度下，兩個等溫物體之間會發生輻射傳熱。物體可以被認為放置在一個封閉的環境內，熱傳遞的大小取決于物體的大小和方向，并且只會發生在彼此相對的表面之間。
假設這兩個物體被固定在不同的溫度。除了這兩個物體之外，我們研究的模型中沒有其他任何內容，但我們還需要定義所有未模擬的周圍空間。我們需要定義一個統一的溫度，稱為環境溫度或背景溫度。雖然我們不會明確地模擬這個環境空間，但假設一個溫度恒定的封閉表面通常會很方便。
考慮第一個物體以及它發出的所有輻射。第一個物體發出的輻射熱通量一部分流向環境，一部分流向第二個物體。現在我們引入 角系數 的概念，它是從表面 1 () 到 表面2 ()的輻射比例，寫作 。假設輻射度均勻且沒有中間阻礙面，那么表面1 與表面2的角系數為：
當系統中有兩個以上的表面時，它們有可能相互面對面，因此我們將角系數寫為 ，其中 是模型中所有 個相互作用的表面的指數。在任意兩個表面之間，互易關系： 成立。
注意，如果一個表面是凹的，那么 。此外，到環境的熱通量是通過環境角系數： 定義的。
展開 在workbench中，可以進行熱輻射分析計算的Mechanical模塊主要有穩態/瞬態耦合場、穩態/瞬態熱等，其工程圖如圖 1所示。各個模塊的輻射傳熱設置非常相近，接下來以穩態熱模塊演示一個簡單熱輻射案例。
圖 1 能夠進行熱輻射計算的Mechanical模塊
現有一幾何模型如圖 2所示，由一個圓臺筒和位于圓臺筒中心的小圓柱體組成。其中，小圓柱的側面是溫度為700℃的熱邊界；所有表面均可產生熱輻射，熱輻射率為0.7；環境溫度為4K。
圖 2 穩態熱模塊熱輻射計算演示案例幾何模型
1 設定傳熱邊界條件
首先設定輻射傳熱條件。在steady-state thermal項目樹下添加“radiation”分支。
在設置框中選定對應的輻射面。
在Correlation選項中可以選擇輻射至環境和面到面輻射，其中輻射至環境指的是所有面產生的輻射均輻射至環境，不會產生面和面之間的輻射；面到面輻射則考慮實體面之間的輻射，不在面和面之間的輻射依然默認為輻射至環境中，該選項需要計算所有輻射面上單元面的角系數，在工作目錄生成角系數文件。本案例考慮面到面之間的輻射，選擇為“surface to surface”。
設定輻射率，此處設定為0.7。設定環境溫度，此處設定為-269.15℃。默認輻射空間序號為1，如果在計算過程中添加了多個“radiation”分支，不同分支之間輻射空間序號相同部分會放到一個空間內進行計算，序號不同的部分則不會有輻射關聯。此處輻射空間序號的設置并沒有什么限制，同一個輻射空間的保證為同一個序號，不同輻射空間的保證為不同序號即可。
圖 3 穩態熱模塊輻射傳熱分支設置
設置完輻射傳熱邊界條件后，再設定其他熱邊界條件。
展開 模擬半透明物體
最后，將我們的示例模型修改為一個半透明的薄而扁平的物體，這意味著它會吸收、反射和透射輻射。在折射可以忽略且物體很薄的情況下，我們可以使用 射線發射 方法，通過半透明表面 特征來求解。此特征還引入了表面透射率 屬性 ，它描述了入射輻射的鏡面透射率：。附加的 臨界角 設置提供了一個閾值，低于該閾值不會發生透射，只會發生鏡面反射。
半透明表面特征將入射輻射分成反射和透射分量。
由下圖我們可以觀察到，將發射率和漫反射率設置為 0 、透射率設置為 0.5 的鏡面反射界面如何導致入射的輻射以 50/50 的比例分離。如果界面本身有任何吸收，將被視為邊界熱負荷。
半透明表面上的入射輻射被分成反射和透射分量。
這里很重要的一點是，需要注意我們不考慮折射，因此不能模擬透鏡效應。如果要模擬通過電介質材料的反射和折射射線，我們可以使用 COMSOL 軟件中的射線光學模塊的功能。
結束語
今天這篇文章我們研究了不透明和半透明表面的輻射反射，以及模擬彎曲反射邊界的建模注意事項。請記住，在有限溫度下，輻射的吸收和反射與表面的輻射發射同時發生，您可以查閱本系列文章中關于輻射傳熱建模的第 1 部分內容：“什么是表面發射率？在輻射傳熱中有哪些典型案例”。
到目前為止，我們還沒有討論如何使用 COMSOL 軟件計算表面與表面之間的輻射傳熱。如果您想進一步理解這種計算，敬請關注本系列的最后一篇文章！
展開 引言：
輻射傳熱過程是是借助于電磁波的能量傳播過程，是由物體內部微觀粒子在運動狀態改變時所激發出來的。由于輻射傳熱引起的熱流與物體表面熱力學溫度的4次方成正比，因此輻射傳熱分析是高度非線性的。借助于溫度場數值模擬仿真技術，可以了解研究熱輻射規律，對于爐內傳熱的合理設計十分重要，對于高溫爐操作工的勞動保護也有積極意義。
本文基于大型有限元軟件ANSYS對輻射傳熱過程溫度場模擬仿真，隨著ANSYS版本不斷更新，核心技術不斷完善，其穩態瞬態熱分析、輻射熱分析、相變分析、熱應力分析和流體熱分析功能不斷強大，更能顯示其計算精度與計算速度的良好兼顧性。
1 、輻射傳熱過程溫度場模擬仿真
1.1研究對象
本文研究的同軸圓柱體尺寸如圖所示：
圖1 研究模型
1.2基本假設
在復雜的輻射傳熱過程實際條件下，抓住主要方面模擬實驗情況，做一些合理化的假設，但同時又能保證其結果的準確性。本文做如下假設：
1）由于兩個圓柱體足夠長，將問題簡化為平面問題；
2）考慮到整個輻射傳熱過程為封閉系統，不需設置空間節點。
1.3初始條件
假設圓柱體是瞬時傳熱的。圓柱體為已知初始均勻溫度場，即:
T(x,y,z,t=0)=T
T為圓柱體溫度，即100°C.
1.4 邊界條件
傳熱是在圓柱體內徑行的的，所以把外圓柱體當做邊界條件。
外圓柱體的初始溫度:100°C
輻射率:1
兩圓柱體的輻射傳熱用Newton冷卻定律描述:
式中:α為對流換熱系數，α=65 W/m2·℃;Tf為液態金屬的特征溫度;Tw為砂型邊界溫度。
輻射傳熱后，兩圓柱體之間的導熱主要以不穩定導熱方式進行。
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顯示傳導、對流和輻射傳熱的熱通量圖</em></p><p class="ql-align-center"><br></p><p>將材料改為鋼，重復步驟 4 至 8 對該材料進行分析。</p><p><br></p><p>進行瞬態分析。上述步驟不變，僅改變分析設置：求解時長為 100 秒，溫度在此期間從 100°C 降至環境溫度 22°C。
Ansys Icepak正是應對這一嚴峻挑戰的權威仿真工具，Icepak提供了從芯片級、板級、模塊級到系統機箱級乃至外部環境級的完整熱仿真能力，通過Ansys Icepak，工程師可以在產品概念修改的串行模式式氣/液體冷卻、熱傳導、熱輻射及共軛傳熱等多種熱現象，評估散熱方案（如熱管、均溫板、風扇、散熱器）的有效性，優化組件布局與風道設計。
VOF + 能量方程（β）：支持溫度相關物性，沸騰、傳熱等復雜問題；傳熱與輻射：殼體導熱、滑移網格下 S2S 輻射、環境輻射模型等
3. 工程實用性與建模穩定性改進。新的 LES 壁面函數、k-ω SST / GEKO 近壁處理，對網格要求更友好
4. 自動化、Web UI 與 PyFluent 生態持續強化。
Ansys Icepak正是應對這一嚴峻挑戰的權威仿真工具，Icepak提供了從芯片級、板級、模塊級到系統機箱級乃至外部環境級的完整熱仿真能力，通過Ansys Icepak，工程師可以在產品概念階段即精準模擬空氣/液體冷卻、熱傳導、熱輻射及共軛傳熱等多種熱現象，評估散熱方案（如熱管、均溫板、風扇、散熱器）的有效性，優化組件布局與風道設計。
通過結構清晰的實操型課程，學員將掌握各類熱仿真問題的建模與求解方法，覆蓋流體域與固體域的熱傳導、熱對流、熱輻射及共軛傳熱（CHT）仿真。
課程以 laplacianFoam 求解器的熱傳導仿真為起點，講解控制方程、邊界條件與擴散特性的設置方法。
燃燒與傳熱
-涉及算法:
核心算法: 計算流體動力學(CFD) +化學反應動力學+輻射傳熱模型。原因：這是一個典型的多物理場耦合問題。需要用CFD計算流動，用詳細化學反應機理模擬燃燒過程，用輻射模型（如DO模型）計算熱量傳遞。
-計算特點:
計算密度極高: 這是所有仿真中計算最密集的領域之一。
</p><p><strong>其中流場仿真工況包括：</strong>常規的流動換熱，共軛換熱，多孔介質，自適應網格，表達式expression，多相流（VOF，mixture，eulerian），運動過程（動網格及重疊網格），輻射傳熱，傳質過程，伴隨求解，fluent自帶參數化及流固耦合等內容。
wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p><strong>燃燒室內側對流傳熱建模</strong></p><p><br></p><p><strong>? 燃燒室內側輻射傳熱建模：</strong></p><p><br></p><ul><li>無氣膜冷卻區域熱輻射，編號8的Radiator采用簡單的熱輻射模型，用戶須輸入面積和熱輻射發射率Emissivity。
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</div><p><br></p><p>8、流動傳熱：熱對流/傳導/輻射/共軛傳熱</p
熱輻射仿真：?主要研究物體通過輻射傳熱的過程，?通過建立輻射傳熱模型和輻射傳熱方程，?模擬物體的輻射行為和輻射熱傳遞。?這種仿真常用于建筑設計中的太陽能熱利用、?能源系統的設計和光學器件研發。?
電子設備中的熱仿真：?在電子設備中的應用非常廣泛，?通過熱仿真技術預測和評估電子設備的熱性能，?優化散熱解決方案，?確保設備在正常工作溫度范圍內運行。?
