Fluent实例：辐射与自然对流模拟
卫生资格考试-爱情祝福语
“CAECFD
创新工场
” fd
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Fluent
辐射与自然对流模拟
引言
在这个算例中，将会解决二维方箱中的辐射与自然对流相结合的问题，网格采用
四边形单元网格。
在这个算例中将会学到以下知识点：
1.应用Fluent
中各种辐射模型Rosseland；
2.使用Boussinesq model定义密度；
3.设定辐射与自然对流传热问题的边界条件；
4.将单一的墙划分为多个墙区域；
5.对已有的流体物性进行修改；
6.用隔离求解器求解；
7.显示速度矢量和流函数等值线，以及温度等值线。
问题描述
将被考虑的问题如图5.1 所示，一个边长为L 的正方形箱体，右墙温度为2000K,
左
墙温度为1000K,上下墙绝热，重力向下，由于热重引起密度梯度所以发展为浮
力流。箱体中的介质
被认为是有吸收性和散射性的，因此墙壁间的辐射交换因存
在吸收被减弱，同时也因为介质的散射作用而
增强了。所有墙壁被认为是黑体，
目的在于应用有效的辐射模型计算箱体中流场和温度场分布，以及墙壁
的热流
量，并且对于不同光学深度aL 比较所表现出的特性。
工质普朗特数大约为0.71，基于L
的雷诺数为500000，这说明流动相当于层状流
动，应用Boussinesq
假设来模拟浮力流动。普朗克数为0.02，用于考虑传导与辐
射的相对重要性，其中，T
0
= ( T
h
+ T
c
)2。在这个算例中将有三种optical thickness
的情况会被考虑到，分别是 aL=0, aL=0.2, and aL=5。注意：物理属性和工作
条
件（重力加速度）都已经给定以适合于产生的想要的普朗特数，雷诺数和普朗克
数。如下图所
示：
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第1 步： 网格
将网格文件 拷至fluent
的工作目录下（就像在指南1 中描述
的一样），并起动fluent 的二维单精度解算器。
1. 读取网格文件.
File Read
Case...当网格读入的时候，在Fluent
控制窗口会显示相应的信息，
会报告网格有2500 个单元。
2. 检查网格质量。
Grid Check... Fluent
会对网格进行各种各样的检查，并会在控制窗口显示信
息。特别注意最小体积，确保它是正数值。
3. 显示出网格（如图5.2）。
图5.2：网格显示
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注意：此时所有的墙体为一个整体，wall-4
。
下面需要将其分成四个独立的区域，
才能对不同的区域定义不同的边界条件。
4.
将单一的墙分为四部分。
Grid Separate Faces...
（a） 在Options.下选择Angle 的分离方法；
（b） 在Zones
列表下选择wall-4；
（c） 定义角度值89 度。
（d）
单击Separate。
带法向矢量的面在被89度分隔后会成为单独的区域，既然四个墙的区域是正
交
的，wall-4 就被分为四个独立的区域。
5. 重新显示出网格。
（a）
在grid display 对话框中选定所有的面后单击Display。
注意：现在有四个不同的墙区域而不是一个。
另外：你可以用鼠标右键来验证墙区域名称所对
应的墙。在图形窗口中用鼠标右
键点击任何一个边界，区域名称，类型都在Fluent 控制窗口中显
示出来。当同一
个类型有几个不同区域，而你又需要迅速的区分开来时，这个用途的作用就特别
明显。有些时候，可以使内部网格不显示，以便更准确的选择边界。
第2 步：模型选择
辐射模型采用的是Rosseland model。
1. 选择默认解算器。
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2. 打开Rosseland 辐射模型。
Define
Models Radiation...
当你在Radiation Model
面板上单击ok 时，会出现一个信息提示框，告诉你新
的材料物性被添加了，你将在后面设置物性参数
，因此现在只需单击ok 确认这
个信息即可。
注意：当你激活辐射模型时，fluent会
自动打开能量解算器，因此不用另外再激
活Energy对话框了。
3.在模型中添加重力影响。
Define Operating
Conditions...
（1） 打开Gravity。
面板会自动扩展，显示所要额外的输入值。
（2） 设置y
方向的Gravitational Acceleration 值为-6.94e-5 ms
2
。
上文中提到过，重力加速度调整到产生合适的无因次数（普朗特数，雷诺数和普
朗克数），见图5.1 及相关的说明。
（3） 设置工作温度为1000k.
在下一步要激活的the Boussinesq model 中将会用到工作温度值。
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第3 步： 材料物性
默认的流体材料为空气，在此次要解
决的问题中工作介质也正是空气。但却是假
想的流动，使各个物性都适合于给出特定的无因次数，因此必
须对默认的空气参
数进行修改。应用光学深度aL=0.2
进行计算。（假设L=1，吸收系数则应设为
0.2 ）。在后面，aL=5
或者无光学介质（aL=0）时，计算得到的结果将会用来
比较不同的光学介质对于的辐射模型的不同。
Define Materials...
1. 在Density 下拉框中选
择boussinesq，并设定密度值为1000kgm
3；
关于
boussine
sq 模型的详细内容请看User's Guide
。
2.
设置比热容，Cp=1.103e4 Jkg-K.
3. 设置导热系数为15.309
Wm-K.；
4. 设置粘度为0.001 kgm-s.；
5. 设置吸收系数为0.2
m
-1
.；
提示：通过滚动条使先前面板中不可见的物性显示出来。
6. 在Scattering Coefficient 和Scattering Phase
Function 中保持默认值，
在要解决的问题中不涉及到散射问题；
7.
设定热扩散系数（用boussinesq 模型时）为1e-5K
-1
。
8.
单击ChangeCreate，关闭Materials 面板。
第4 步： 边界条件
Define Boundary Conditions...
1.
对底部的墙设置边界条件（wall-4.006)。
注意：如果不能确定wall-4.006
对应的是否为底墙，可以用鼠标右键在图形窗口
中单击底墙，在边界条件面板中Zone
列表中会自动显示相应区域的名称。
在设定其它墙的边界条件时也可以这样做，一定要保证设定正确的边界条件。
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（1）将Zone Name 改为bottom；
（2）对于绝热墙，保持默认设置热边界条件。（heat flux=0）
注意：Rosseland model
模型不需要设定墙的发射率，对于其它辐射模型，就需
要设定墙的发射率。
2.对左墙设置边界条件（wall-4）
（1）.将Zone Name
改名为left.
（2）在Thermal Conditions
下选择Temperature，并设置温度值为1000k;
3.对右墙设置边界条件（wall-4:007.）
（1）将Zone Name
改名为right;
（2）在Thermal Conditions
下选择Temperature，并设置温度值为2000k;
4.对顶墙设置边界条件（wall-4:005）；
（1）将Zone Name
改名为top;
（2）对于绝热墙，保持默认设置的热边界条件（heat flux=0）。
第5 步： Rosseland 模型求解
1. 为控制解设置参数
Solve
Controls Solution...
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（1） 在Equations 和 Under-
Relaxation Factors.下，保持默认值。
（2）
在Discretization 下, Pressure 选择PRESTO!，Momentum and
Energy 选Second Order Upwind。
2.流场初始化
Solve Initialize Initialize...
（1）将温度设置为1500k,单击Init.
3.计算时，激活残差曲线显示。
Solve Monitors Residual...
（1）
在Options 下，选Plot.
（2） 单击ok。
注意：Rosseland
model 不能解决额外的辐射热传播方程，因此显示不出残差曲
线来。但可以解出能量方程中的导热系数，当使用the P-1 and DO 模型时，就
可以解决辐射输运方程，能显示出辐射残差曲线。
4.保存case 文件。（rad_）
File Write Case...
5.开始计算，进行200 次反复收敛。
Solve Iterate...
大约在180 次时计算就会收敛。
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6. 保存数据文件（rad_).
File
Write Data...
第6 步： Rosseland 模型后处理
1.
显示收敛曲线。
Solve Monitors Residual..plot
2. 显示速度矢量 。
Display Vectors...
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图5.3：
Rosseland
模型的速度矢量
3. 显示流量函数等高线（如图5.4）。
Display Contours...
图5.4：
Rosseland
模型的流函数的等势图
由于箱内的自然对流的存在，
就观察图形中呈现循环模式。在光学厚度(0.2)很小
时，辐射不会对流动造成很大影响，得到的流场
与没有辐射时相似（如图5.5）。
但the Rosseland 模型显示的流场很对称（如图5.
4），跟纯粹的自然对流不一样。
这个差异的产生主要是因为对较小的光学厚度而言
，
the Rosseland 模型不是很
合适。
4.
显示温度等势图。
Display Contours...
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图5.5：
Rosseland
模型的温度的等势图
5. 计算每个侧墙的总的壁面热通量。
Report
Fluxes...
（1） 在Options 下选择Total Heat
Transfer Rate。
（2） 在Boundaries 下选择right 和
left。
（3） 单击Compute 按钮。
热墙和冷墙总的传热率大约为7.43×10
5
,两侧墙上总的热通量大致平衡。
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5.
沿着水平中心线显示y 向速度图。
在y=0.5 处，沿着箱体的中心处的水平线创建一个切截面。
Surface Iso-
Surface...
1).在Surface of Constant
下拉列表中选Grid...，在下面的列表中选Y-Coordinate。
2).单击Compute，看计算域的范围。
3). 在Iso-Values
中设定值为0.5，将New Surface Name 改为y=0.5.
4).单击Create 来创建切截面。
（2） 在切截面上创建y 向速度的XY
散点图。
Plot XY Plot...
在速度剖面图中，右侧热墙呈现上升趋势，左侧冷墙呈现下降趋势。
将绘图数据存储文件。在面板中选择Write to File
命令，单击Write...按钮。在
接下来的Select File 对话框中，在XY File
文本输入框中输入文件名，单击OK
即可。 最后保存case 和data 文件（rad_ 和
rad_）。