辐射模型选择

2017-01-18 by:CAE仿真在线来源:互联网

模型选择

对于某些问题,某个辐射模型可能比其它模型更适用。在确定使用何种辐射模型时,需要考虑的因素如下:
?? 光学深度:光学深度αL 是确定选择辐射模型较好的指标。其中,L 为计算域大致的长度标尺。例如,对于燃烧室内的流动, L 为燃烧室的直径。如果光学深度》1,那么,最好的选择是使用P-1 或Rosseland 辐射模型。P-1 模型一般都用于光学深度>1 情况。若光学深度>3,Rosseland 模型计算量更小而且更加有效。DTRM 和 DO 对于任何的光学深度都适用,但是,它们计算量也更大。因此,如果问题允许的话,应尽可能的选择具有“光学深度限制”的P-1 或Rosseland 辐射模型。对于光学深度较小的问题,只有DTRM和 DO 模型时适用的。
?? 散射与发射:P-1, Rosseland 和 DO 模型考虑散射的影响,而DTRM 忽略此项。由于Rosseland 模型在壁面使用具有温度滑移的边界条件,所以,它对壁面的发射率(黑度)不敏感。
?? 只有P-1 和DO 模型考虑气体与颗粒之间的辐射换热(请参阅方程11.3-15)。
?? 半透明介质与镜面边界:只有DO 模型允许出现镜面反射(全反射,例如镜子)以及在半透明介质(例如玻璃)内的辐射。
?? 非灰体辐射:只有DO 模型能够允许用户使用灰带模型计算非灰体辐射。
?? 局部热源:对于具有局部热源的问题,P-1 模型可能会过高估计辐射热流。这种情况下,DO 模型可能会是最好的辐射计算方法,当然,如果具有足够多的射线数目,DTRM 模型的计算结果也可以接受。
?? 没有辐射介质情况下的封闭腔体内的辐射传热:表面辐射换热模型(S2S)适用于这种情况。从原理上讲,使用具有辐射介质的各种辐射模型也可以计算辐射表面间的换热,但计算结果并非总是很好。

DTRM模型
离散传播模型的跟踪射线的定义:1)确定辐射面或辐射体用户在Cells Per Volume Cluster and Faces Per Surface Cluster 区域的输入将确定了辐射面和辐射体内包含的计算单元数。缺省情况下,两项均设定为1,因此表面束(辐射面)的数目就等于边界面(单元)的数目;辐射体(辐射吸收单元体)的数目就等于计算域内的单元总数。对于二维问题,这些数目是可以承受的,但对较大规模的问题,为了减少跟踪射线的计算量,用户需要减少辐射面与辐射体内所包含的单元数目2)用户在Theta Divisions and Phi Divisions 区域的输入将确定每个辐射面所跟踪计算的射线束Theta Divisions 确定了表米上围绕P 点,用于计算立体角的θ角方向的间隔数。立体角的设定基于的θ角的变化范围为0 ~ 90度(图11.3.2),其缺省设置为2,这表示从此表面发出的射线间隔角度为45度 ( θ角方向)。Phi Divisions 确定了表米上围绕P 点,用于计算立体角的φ角方向的间隔数。立体角的设定基于的θ角的变化范围为2D 0~180 度和3D 0~360度,其缺省设置为2,这表示从此表面发出的射线间隔角度为2D 90度 ( φ角方向)。此设定与上述的θ角的缺省设置一起表明了在每个辐射面将会跟踪4 条射线(2D)。需要注意的是,对于3D 情况,若要达到上述的相同精度,Phi Divisions 的设定需为4。多数情况下,推荐用户至少把θ和φ角的设定数目加倍

S2S模型
在FLUENT计算角系数:1)控制表面束用户在Faces Per Surface Cluster 下的输入将决定辐射面的数量。缺省情况下,其值为1。因此,表面束的数目将等于边界面(单元)的数目。对于2D 问题,这个数量是可接受的。对于大规模问题,用户可能会希望减少表面束的数目。从而减少角系数文件的大小和对内存的需求。2)障碍面对于有阻碍面的情况,在View Factor and Cluster Parameters 面板中的Surfaces 选项下选定Blocking;对于非阻碍面,用户既可以选择Blocking也可以选择Nonblocking,而这都不影响计算精度。但是,这种情况下最好是选择Non-blocking,3)选择(角系数)光顺(Smoothing)方法为了强制使角系数遵从倒易关系和守恒特性,可以对角系数矩阵实行光顺处理。为了使用最小二乘法来光顺角系数矩阵,在View Factor and Cluster Parameters 面板中的Smoothing 选项下选定Least Square。若不想对角系数矩阵进行光顺处理,可以在Smoothing选项下选定None。4)选择角系数计算方法若要使用自适应方法来计算角系数,在View Factor and Cluster Parameters 面板中选择Adaptive 选项。对于简单的几何模型,推荐使用自适应方法,因为对于此类几何体,自适应方法比单位球法要快。若要使用单位球法计算角系数,在View Factor and Cluster Parameters panel 面板中选定Hemicube 选项。对于大型复杂几何体,推荐使用此方法。这是因为对于此类几何体,单位球法的计算速度更快。

DO模型
DO 模型的离散角度设定:。对于2D 情况,(因为对称)FLUENT 只求解四个象限。这样,总共是求解4NφNθ个方向;对于3D 情况,求解8 个象限,因而求解方向为8NφNθ。缺省情况下,Theta Divisions 和 Phi Divisions 的数目均为2。对于多数实际问题,这个设置是足够的。更细的空间离散角的划分可以更好的求解出较小的几何特征或者是温度在空间的强烈不均匀性。但是Theta Divisions 和 Phi Divisions 数目大这意味着加大计算代价。Theta Pixels 和Phi Pixels 可以用来确定象点。对于漫灰辐射, 1×1的缺省象点设置是足够的。对于具有对称面、周期性条件、(辐射)镜面或者是半透明边界,推荐使用3×3的象点设置。单应该注意到的是,增加象点数目将加大计算量。

DO 模型的非灰体辐射当Number Of Bands 被设定非0 时,Radiation Model 面板会再次扩展以显示出Wavelength Intervals 项(图11.3.14)。用户可以对每个波长带设定名称(Name),同时设定波带的开始与结束波长(Start and End,单位为μm )。需要注意的是,波带的设定是基于真空的( n=1 )。在对于具有不等于1 的折射率n 的实际介质波带,FLUENT 将自动考虑介质折射率对波带的影响。
例如,对于某种玻璃,其具有某个吸收系数的间断点,间断点对应的波长为λc 。当λ≤λc时,吸收系数为1a1 ; 当λ>λc 时。吸收系数为a2。玻璃的折射率为ng 。由于穿越半透明界面时,nλ为常数,对于n=1的介质其等效间断点对应的波长为ngλc,此种情况下,用户应设定两个波带(极值),分别为0→ngλc 和ngλc → 100 。这里,为了确保整个辐射光谱处于波带之内,上界波长已设定为较大的数值100。当存在多种介质时,用户应该将所有的间断点波长转化为介质n=1中对应的波长,并确定相应的波长界限。

DO 模型的漫射壁面边界条件 diffuse fraction=1
DO 模型的镜面边界条件 diffuse fraction=0
DO 模型的半透明边界条件 diffuse fraction=0~1

四、热辐射模型

Discrete Transfer Radiation Model (DTRM)

DTRM模型的优点是简单, 且可以适用的计算对象的尺度范围较大, 其缺点是没有包含散射和不能计算非灰的辐射。提高模型中射线的数量可以提高DTRM模型的精度,但计算量也明显增加。

P-1模型

P-1模型是P-N模型的简化,适用于大尺度辐射计算。对比DTRM模型,其优点在于计算量更小,且包含散射效应。当燃烧计算域的尺寸比较大时,P-1模型非常有效。另外P-1模型可应用在较为复杂的计算域中。

The Rosseland Model

Rosseland模型是最为简化的辐射模型,只能应用于大尺度辐射计算。其优点是速度最快,需要内存最少。

Discrete Ordinates (DO) Model

DO模型是所有四种模型是最为复杂的辐射模型,从小尺度到大尺度辐射计算都适用,且可计算非-灰度辐射和散射效应,但需要较大计算量。

纵上所述,我们可以看到,无论在模型数量上,还是在模型先进性上,FLUENT软件提供了远远优于其它商用CFD软件的燃烧模型。例如,在气相燃烧模型上,Star-CD仅仅提供了传统的有限速率模型和PDF模型,而缺乏在航空航天领域燃烧问题中应用最为重要的非平衡火焰模型和预混模型;在分散相模型上,与Star-CD相比,Fluent软件同样提供了更为丰富、更为先进的物理模型。

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