网硕互联帮助中心传热与传质分析
在流体动力学仿真软件中，传热与传质分析是重要的模块之一，能够模拟和分析流体中的热量传递和物质传递过程。这一部分将详细介绍如何在Fluent中进行传热与传质分析，包括基本概念、设置方法、案例分析和代码示例。
1. 传热分析
1.1 传热的类型
传热分析主要涉及三种基本的传热方式：传导、对流和辐射。
-
传导：热量通过物质的微观粒子运动从高温区域传向低温区域。
-
对流：热量通过流体的宏观运动从一个区域传向另一个区域。
-
辐射：热量通过电磁波的形式从一个物体传向另一个物体，不需要介质。
1.2 传热方程
传热分析的核心是能量守恒方程，Fluent中使用的是Navier-Stokes方程和能量方程的联立求解。能量方程的基本形式如下：
$$
\\rho c_p \\left( \\frac{\\partial T}{\\partial t} + \\mathbf{u} \\cdot \\nabla T \\right) = \\nabla \\cdot \\left( k \\nabla T \\right) + \\dot{q}
$$
-
ρ\\rhoρ是密度
-
cpc_pcp是比热
-
TTT是温度
-
u\\mathbf{u}u是速度矢量
-
kkk是导热系数
-
q˙\\dot{q}q˙是热源项
1.3 设置传热分析
在Fluent中设置传热分析的步骤如下：
定义模型：
-
进入Model菜单，选择Energy选项，启用能量方程。
-
选择合适的传热模型，如Conduction、Convection和Radiation。
设置材料属性：
- 在Materials菜单中定义材料的热导率、密度和比热。
边界条件：
- 在Boundary Conditions中设置边界条件，如温度、热流密度等。
求解设置：
-
在Solve菜单中选择合适的求解器和求解方法，如Coupled或Segregated求解器。
-
设置求解控制参数，如时间步长、收敛准则等。
1.4 案例分析：传导传热
1.4.1 问题描述
假设有一个长方体金属块，初始温度为20°C。金属块的一侧被加热到100°C，另一侧保持在20°C。我们需要模拟在稳态条件下的温度分布。
1.4.2 模型设置
定义模型：
# 启用能量方程
fluent.set('model/energy', 'on')
设置材料属性：
# 定义金属材料
fluent.set('materials/new', 'metal')
fluent.set('materials/metal/thermal-conductivity', 50) # 导热系数 (W/m·K)
fluent.set('materials/metal/density', 8000) # 密度 (kg/m^3)
fluent.set('materials/metal/specific-heat', 500) # 比热 (J/kg·K)
边界条件：
# 设置加热面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/temperature/wall1', 100) # 温度 (°C)
# 设置冷却面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/temperature/wall2', 20) # 温度 (°C)
求解设置：
# 选择耦合求解器
fluent.set('solve/solver-type', 'coupled')
# 设置收敛准则
fluent.set('solve/controls/temperature', 1e–6) # 温度残差准则
求解：
# 开始求解
fluent.solve()
结果分析：
# 获取温度分布
temperature_distribution = fluent.get('results/temperature')
print(temperature_distribution)
1.5 案例分析：对流传热
1.5.1 问题描述
假设有一个管道，内部流动着空气，管道的外壁被加热到100°C，管道内部的空气初始温度为20°C。我们需要模拟在稳态条件下的温度分布和传热过程。
1.5.2 模型设置
定义模型：
# 启用能量方程
fluent.set('model/energy', 'on')
设置材料属性：
# 定义空气材料
fluent.set('materials/new', 'air')
fluent.set('materials/air/thermal-conductivity', 0.025) # 导热系数 (W/m·K)
fluent.set('materials/air/density', 1.225) # 密度 (kg/m^3)
fluent.set('materials/air/specific-heat', 1005) # 比热 (J/kg·K)
边界条件：
# 设置加热面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/temperature/pipe_wall', 100) # 温度 (°C)
# 设置入口边界条件
fluent.set('boundary-conditions/velocity-inlet/pipe_inlet', {'u': 10, 'v': 0, 'w': 0}) # 速度 (m/s)
fluent.set('boundary-conditions/temperature/pipe_inlet', 20) # 温度 (°C)
求解设置：
# 选择耦合求解器
fluent.set('solve/solver-type', 'coupled')
# 设置收敛准则
fluent.set('solve/controls/temperature', 1e–6) # 温度残差准则
求解：
# 开始求解
fluent.solve()
结果分析：
# 获取温度分布
temperature_distribution = fluent.get('results/temperature')
print(temperature_distribution)
1.6 案例分析：辐射传热
1.6.1 问题描述
假设有一个封闭的腔体，内部有两块平行的金属板，板之间的距离为0.1m。金属板的初始温度为20°C，其中一块板被加热到100°C。我们需要模拟在稳态条件下的温度分布和辐射传热过程。
1.6.2 模型设置
定义模型：
# 启用能量方程
fluent.set('model/energy', 'on')
# 启用辐射模型
fluent.set('model/radiation', 'on')
设置材料属性：
# 定义金属材料
fluent.set('materials/new', 'metal')
fluent.set('materials/metal/thermal-conductivity', 50) # 导热系数 (W/m·K)
fluent.set('materials/metal/density', 8000) # 密度 (kg/m^3)
fluent.set('materials/metal/specific-heat', 500) # 比热 (J/kg·K)
边界条件：
# 设置加热面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/temperature/wall1', 100) # 温度 (°C)
# 设置冷却面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/temperature/wall2', 20) # 温度 (°C)
辐射设置：
# 设置辐射模型
fluent.set('model/radiation/type', 'discrete-ordinates')
# 设置辐射属性
fluent.set('model/radiation/absorptivity/wall1', 0.8) # 吸收率
fluent.set('model/radiation/emissivity/wall1', 0.8) # 发射率
fluent.set('model/radiation/absorptivity/wall2', 0.8) # 吸收率
fluent.set('model/radiation/emissivity/wall2', 0.8) # 发射率
求解设置：
# 选择耦合求解器
fluent.set('solve/solver-type', 'coupled')
# 设置收敛准则
fluent.set('solve/controls/temperature', 1e–6) # 温度残差准则
求解：
# 开始求解
fluent.solve()
结果分析：
# 获取温度分布
temperature_distribution = fluent.get('results/temperature')
print(temperature_distribution)
2. 传质分析
2.1 传质的类型
传质分析主要涉及三种基本的传质方式：分子扩散、对流扩散和反应扩散。
-
分子扩散：物质通过分子的随机运动从高浓度区域传向低浓度区域。
-
对流扩散：物质通过流体的宏观运动从一个区域传向另一个区域。
-
反应扩散：物质在传质过程中发生化学反应，影响传质过程。
2.2 传质方程
传质分析的核心是物质守恒方程，Fluent中使用的是Navier-Stokes方程和物种输运方程的联立求解。物种输运方程的基本形式如下：
$$
\\frac{\\partial (\\rho \\phi)}{\\partial t} + \\nabla \\cdot (\\rho \\mathbf{u} \\phi) = \\nabla \\cdot \\left( D \\nabla \\phi \\right) + \\dot{S}
$$
-
ρ\\rhoρ是密度
-
ϕ\\phiϕ是物种浓度
-
u\\mathbf{u}u是速度矢量
-
DDD是扩散系数
-
S˙\\dot{S}S˙是源项
2.3 设置传质分析
在Fluent中设置传质分析的步骤如下：
定义模型：
-
进入Model菜单，选择Species选项，启用物种输运方程。
-
选择合适的传质模型，如Diffusion、Reaction等。
设置材料属性：
- 在Materials菜单中定义材料的密度、扩散系数等。
边界条件：
- 在Boundary Conditions中设置边界条件，如物种浓度、质量流率等。
求解设置：
-
在Solve菜单中选择合适的求解器和求解方法，如Coupled或Segregated求解器。
-
设置求解控制参数，如时间步长、收敛准则等。
2.4 案例分析：分子扩散
2.4.1 问题描述
假设有一个长方体容器，内部充满水，容器的一侧被加入某种物质，初始浓度为100 ppm，另一侧保持在0 ppm。我们需要模拟在稳态条件下的浓度分布。
2.4.2 模型设置
定义模型：
# 启用物种输运方程
fluent.set('model/species', 'on')
设置材料属性：
# 定义水材料
fluent.set('materials/new', 'water')
fluent.set('materials/water/density', 1000) # 密度 (kg/m^3)
fluent.set('materials/water/molecular-weight', 18) # 分子量 (g/mol)
fluent.set('materials/water/diffusion-coefficient', 1e–9) # 扩散系数 (m^2/s)
边界条件：
# 设置物质加入面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/mass-fraction/wall1', {'species1': 100}) # 质量分数 (ppm)
# 设置物质保持面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/mass-fraction/wall2', {'species1': 0}) # 质量分数 (ppm)
求解设置：
# 选择耦合求解器
fluent.set('solve/solver-type', 'coupled')
# 设置收敛准则
fluent.set('solve/controls/mass-fraction', 1e–6) # 质量分数残差准则
求解：
# 开始求解
fluent.solve()
结果分析：
# 获取浓度分布
concentration_distribution = fluent.get('results/mass-fraction')
print(concentration_distribution)
2.5 案例分析：对流扩散
2.5.1 问题描述
假设有一个管道，内部流动着水，管道的外壁被加入某种物质，初始浓度为100 ppm，管道内部的水初始浓度为0 ppm。我们需要模拟在稳态条件下的浓度分布和对流扩散过程。
2.5.2 模型设置
定义模型：
# 启用物种输运方程
fluent.set('model/species', 'on')
设置材料属性：
# 定义水材料
fluent.set('materials/new', 'water')
fluent.set('materials/water/density', 1000) # 密度 (kg/m^3)
fluent.set('materials/water/molecular-weight', 18) # 分子量 (g/mol)
fluent.set('materials/water/diffusion-coefficient', 1e–9) # 扩散系数 (m^2/s)
边界条件：
# 设置物质加入面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/mass-fraction/pipe_wall', {'species1': 100}) # 质量分数 (ppm)
# 设置入口边界条件
fluent.set('boundary-conditions/velocity-inlet/pipe_inlet', {'u': 1, 'v': 0, 'w': 0}) # 速度 (m/s)
fluent.set('boundary-conditions/mass-fraction/pipe_inlet', {'species1': 0}) # 质量分数 (ppm)
求解设置：
# 选择耦合求解器
fluent.set('solve/solver-type', 'coupled')
# 设置收敛准则
fluent.set('solve/controls/mass-fraction', 1e–6) # 质量分数残差准则
求解：
# 开始求解
fluent.solve()
结果分析：
# 获取浓度分布
concentration_distribution = fluent.get('results/mass-fraction')
print(concentration_distribution)
2.6 案例分析：反应扩散
2.6.1 问题描述
假设有一个反应器，内部充满水，水中有两种物质A和B，它们之间发生化学反应生成C。反应器的一侧被加入物质A，初始浓度为100 ppm，另一侧被加入物质B，初始浓度为50 ppm。我们需要模拟在稳态条件下的浓度分布和反应扩散过程。
2.6.2 模型设置
定义模型：
# 启用物种输运方程
fluent.set('model/species', 'on')
# 启用反应模型
fluent.set('model/reaction', 'on')
设置材料属性：
# 定义水材料
fluent.set('materials/new', 'water')
fluent.set('materials/water/density', 1000) # 密度 (kg/m^3)
fluent.set('materials/water/molecular-weight', 18) # 分子量 (g/mol)
fluent.set('materials/water/diffusion-coefficient', 1e–9) # 扩散系数 (m^2/s)
定义反应：
# 定义化学反应A + B -> C
fluent.set('model/reaction/new', 'reaction1')
fluent.set('model/reaction/reaction1/reactants', {'A': 1, 'B': 1})
fluent.set('model/reaction/reaction1/products', {'C': 1})
fluent.set('model/reaction/reaction1/rate-constant', 0.1) # 反应速率常数 (1/s)
边界条件：
# 设置物质A加入面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/mass-fraction/wall1', {'A': 100, 'B': 0, 'C': 0}) # 质量分数 (ppm)
# 设置物质B加入面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/mass-fraction/wall2', {'A': 0, 'B': 50, 'C': 0}) # 质量分数 (ppm)
求解设置：
# 选择耦合求解器
fluent.set('solve/solver-type', 'coupled')
# 设置收敛准则
fluent.set('solve/controls/mass-fraction', 1e–6) # 质量分数残差准则
求解：
# 开始求解
fluent.solve()
结果分析：
# 获取浓度分布
concentration_distribution = fluent.get('results/mass-fraction')
print(concentration_distribution)
2.7 案例分析：多组分传质
2.7.1 问题描述
假设有一个管道，内部流动着水，水中含有多种物质（A、B、C）。管道的一侧被加入物质A，初始浓度为100 ppm，另一侧被加入物质B，初始浓度为50 ppm，管道内部的物质C初始浓度为0 ppm。我们需要模拟在稳态条件下的多组分浓度分布和传质过程。
2.7.2 模型设置
定义模型：
# 启用物种输运方程
fluent.set('model/species', 'on')
设置材料属性：
# 定义水材料
fluent.set('materials/new', 'water')
fluent.set('materials/water/density', 1000) # 密度 (kg/m^3)
fluent.set('materials/water/molecular-weight', 18) # 分子量 (g/mol)
fluent.set('materials/water/diffusion-coefficient', 1e–9) # 扩散系数 (m^2/s)
# 定义物质A、B、C
fluent.set('materials/new', 'speciesA')
fluent.set('materials/speciesA/diffusion-coefficient', 1e–9) # 扩散系数 (m^2/s)
fluent.set('materials/new', 'speciesB')
fluent.set('materials/speciesB/diffusion-coefficient', 1e–9) # 扩散系数 (m^2/s)
fluent.set('materials/new', 'speciesC')
fluent.set('materials/speciesC/diffusion-coefficient', 1e–9) # 扩散系数 (m^2/s)
边界条件：
# 设置物质A加入面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/mass-fraction/wall1', {'speciesA': 100, 'speciesB': 0, 'speciesC': 0}) # 质量分数 (ppm)
# 设置物质B加入面的边界条件
fluent.set('boundary-conditions/mass-fraction/wall2', {'speciesA': 0, 'speciesB': 50, 'speciesC': 0}) # 质量分数 (ppm)
# 设置入口边界条件
fluent.set('boundary-conditions/velocity-inlet/pipe_inlet', {'u': 1, 'v': 0, 'w': 0}) # 速度 (m/s)
fluent.set('boundary-conditions/mass-fraction/pipe_inlet', {'speciesA': 0, 'speciesB': 0, 'speciesC': 0}) # 质量分数 (ppm)
求解设置：
# 选择耦合求解器
fluent.set('solve/solver-type', 'coupled')
# 设置收敛准则
fluent.set('solve/controls/mass-fraction', 1e–6) # 质量分数残差准则
求解：
# 开始求解
fluent.solve()
结果分析：
# 获取浓度分布
concentration_distribution = fluent.get('results/mass-fraction')
print(concentration_distribution)
2.8 总结
通过以上案例分析，我们可以看到Fluent在传热与传质分析中的强大功能。无论是单一的传热过程，还是复杂的多组分传质过程，Fluent都能提供详细的设置方法和求解策略。用户可以根据具体问题选择合适的模型和边界条件，进行仿真分析。
在实际应用中，传热与传质分析往往需要结合其他物理现象，如多相流、化学反应等。Fluent提供了丰富的物理模型和求解方法，能够满足各种复杂工程问题的仿真需求。希望本章的内容能够帮助读者更好地理解和应用Fluent进行传热与传质分析。
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