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 简介

本案例利用Fluent中的DO辐射模型计算汽车头大灯内的辐射及自然对流现象。

涉及到的内容包括：

• 在ANSYS FLUENT中读取现有的网格文件。

• 设置DO辐射模型。

• 设置材料属性和边界条件。

• 求解能量和流动方程。

• 初始化并计算求解。

• 后处理结果数据。

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案例描述

如图所示为汽车前大灯结构。其中灯泡功率为40W， 通过辐射及自然对流与外界交换热量。灯泡由玻璃制成，透镜，外壳和反光镜则由聚碳酸酯制成。

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Fluent设置

3.1 启动Fluent并读取网格

• 以Double Precision方式启动Fluent

• 点击菜单项File → Read → Mesh…读取网格文件head-lamp.msh.gz

查看网格如图所示。

3.2 缩放网格

• 双击模型树节点General，点击右侧额面板按钮Scale…，弹出网格缩放对话框

• 设置Mesh Was Created In为mm，点击按钮Scale进行网格缩放

• 点击按钮Close关闭对话框

3.3 Models设置

启动DO辐射模型。

• 双击模型树节点Models > Radiation，弹出辐射模型设置对话框

• 选择Model为Discrete Ordinates

• 设置Energy Iteration per Radiation Iteration为1

• 设置Angular Discretization下的Theta Divisions及Phi Divisions均为2

• 设置Theta Pixels及Phi Pixels均为6

• 点击OK按钮关闭对话框

注意：

对于存在半透明介质的辐射问题，通常设置Theta Divisions及Phi Divisions不小于3，然而该参数值越大，计算量越大。

3.4 Materials

• 鼠标右键选择模型树节点Materials > Solid，点击弹出菜单项New…新建材料

• 如下图所示定义材料glass

相同方式定义其他材料，如表所示。

参数	Polycarbonate	coating	socket
Density	1200	2000	2719
Cp	1250	400	871
Thermal Conductivity	0.3	0.5	0.7
Absorption Coefficient	930	0	0
Scattering Coefficient	0	0	0
Refractive Index	1.57	1	1

材料创建完毕后，模型树节点如图所示。

• 双击模型树节点Materials > Fluid > air，弹出属性修改对话框

• 修改Density为incompressible-ideal-gas，设置Thermal Conductivity为polynomial

• 设置Thermal Conductivity为polynomial，点击后方的Edit按钮编辑参数

• 设置Coefficients为4，分别设置系数为-2.0004e-03, 1.1163e-04, -6.3191e-08, 2.1301e-11

• 点击OK按钮关闭对话框

• 点击按钮Change/Create修改参数

小提示：

由于计算域中温度范围很宽，从350 K~2800 K，在如此宽的温度范围内，空气的热传导系数不应该是一个常数。这里将热传导系数定义为温度的多项式函数。

3.5 Cell Zone Conditions

为区域指定材料。

• 双击模型树节点Cell Zone Conditions，右侧面板列表框中显示了所有计算域

• 双击列表项cell-reflector，弹出区域设置对话框，设置选项Material Name为polycarbonate，激活选项Participates In Radiation，点击OK按钮关闭对话框

相同方式设置其他计算域材料，如下表所示。

计算域	材料
cell-bulb	glass
cells-housing-air	air
cells-lens	polycarbonate
cells-bulb-inside	air

3.6 Operating Conditions

• 双击模型树节点Cells Zone Conditions，点击右侧面板中按钮Operating Conditions…，弹出操作添加设置对话框

• 激活选项Gravity，设置重力加速度为Y方向-9.81 m/s2

注意：

本案例流体介质密度定义为温度的函数（不可压缩理想气体），因此需要指定沿重力加速度方向体积力项参考密度。若不指定参考密度，系统会利用计算域平均密度作为参考密度。

3.7 Boundary Conditions

1、设置边界lens-inner

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions，双击右侧面板边界列表项lens-inner，弹出边界设置对话框

• 切换至Radiation标签页，设置BC Type为semi-transparent，设置Diffuse Fraction为0.05，点击OK按钮关闭对话框

2、设置边界lens-inner-shadow

• 相同方式设置边界lens-inner-shadow的BC Type为semi-transparent，Diffuse Fraction为0.05

3、设置边界lens-outer

• 设置边界lens-outer，其Thermal标签页如下图所示设置

• 切换至Radiation标签页，按下图所示设置

4、设置边界bulb-outer

• 双击列表项bulb-outer，弹出边界设置对话框，切换至Raidation标签页

• 设置BC Type为semi-transparent，设置Diffuse Fraction为0.05，点击OK按钮关闭对话框

5、设置边界bulb-outer-shadow

• 双击列表项bulb-outer-shadow，弹出边界设置对话框，切换至Raidation标签页

• 设置BC Type为semi-transparent，设置Diffuse Fraction为0.05，点击OK按钮关闭对话框

6、设置边界bulb-inner

• 双击列表项bulb-inner，弹出边界设置对话框，切换至Raidation标签页

• 设置BC Type为semi-transparent，设置Diffuse Fraction为0.05，点击OK按钮关闭对话框

7、设置边界bulb-inner-shadow

• 双击列表项bulb-inner-shadow，弹出边界设置对话框，切换至Raidation标签页

• 设置BC Type为semi-transparent，设置Diffuse Fraction为0.05，点击OK按钮关闭对话框

8、设置边界bulb-coatings

• 双击列表项bulb-coatings，弹出边界设置对话框，切换至Thermal标签页

• 设置Materials Name为coating

• 设置Wall Thickness为0.1 mm

9、设置边界reflector-outer

• 双击列表项Reflector-outer，在弹出的对话框中切换至Thermal标签页

• 设置Thermal Conditions为Mixed

• 设置Heat Transfer Coefficient为7 w/m2-k

• 设置Free Stream Temperature为7 K

• 设置External Emissivity为0.95

• 设置External Radiation Temperature为300 K

其他参数保持默认设置。

10、设置reflector-inner

• 设置Thermal标签页下参数Internal Emissivity为0.2

• 设置Radiation标签页下参数Diffuse Fraction为0.3

• 其他参数保持默认设置

11、设置Rfelctor-inner-shadow

• 设置Thermal标签页下参数Internal Emissivity为0.2

• 设置Radiation标签页下参数Diffuse Fraction为0.3

• 其他参数保持默认设置

12、设置边界filament

假设灯泡电功率为40 W，灯泡表面积6.9413E-6 m2，可计算得到热通量为5760000 W/m2。

3.8 Solution

• 双击模型树节点Methods，右侧面板中设置Scheme为Coupled

• 设置Pressure为Body Force Weighted

• 激活选项Warped-Face Gradient Correction及High Order Term Relaxation

3.9 Initialization

• 双击模型树节点Initialization，右侧面板中激活选项Standard Initialization

• 选择选项Compute from为all-zones，点击按钮Initialize进行初始化

• 点击按钮Patch，弹出设置对话框

• 选择Variable为Temperature，选择Zones to Patch为cells-bulb-inside，设置Value为500 k，点击Patch按钮进行初始化

3.10 Run Calculation

• 双击模型树节点Run Calculation

• 右侧面板设置参数Number of Iterations为500

• 点击按钮Calculate进行计算

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计算结果

• 双击模型树节点Results > Contours，弹出对话框中选择查看对称面上温度分布，如下图所示

对称面温度分布如图所示。

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道