輻射模型選擇

2017-01-18 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

模型選擇

對(duì)于某些問(wèn)題,某個(gè)輻射模型可能比其它模型更適用。在確定使用何種輻射模型時(shí),需要考慮的因素如下:
?? 光學(xué)深度:光學(xué)深度αL 是確定選擇輻射模型較好的指標(biāo)。其中,L 為計(jì)算域大致的長(zhǎng)度標(biāo)尺。例如,對(duì)于燃燒室內(nèi)的流動(dòng), L 為燃燒室的直徑。如果光學(xué)深度》1,那么,最好的選擇是使用P-1 或Rosseland 輻射模型。P-1 模型一般都用于光學(xué)深度>1 情況。若光學(xué)深度>3,Rosseland 模型計(jì)算量更小而且更加有效。DTRM 和 DO 對(duì)于任何的光學(xué)深度都適用,但是,它們計(jì)算量也更大。因此,如果問(wèn)題允許的話,應(yīng)盡可能的選擇具有“光學(xué)深度限制”的P-1 或Rosseland 輻射模型。對(duì)于光學(xué)深度較小的問(wèn)題,只有DTRM和 DO 模型時(shí)適用的。
?? 散射與發(fā)射:P-1, Rosseland 和 DO 模型考慮散射的影響,而DTRM 忽略此項(xiàng)。由于Rosseland 模型在壁面使用具有溫度滑移的邊界條件,所以,它對(duì)壁面的發(fā)射率(黑度)不敏感。
?? 只有P-1 和DO 模型考慮氣體與顆粒之間的輻射換熱(請(qǐng)參閱方程11.3-15)。
?? 半透明介質(zhì)與鏡面邊界:只有DO 模型允許出現(xiàn)鏡面反射(全反射,例如鏡子)以及在半透明介質(zhì)(例如玻璃)內(nèi)的輻射。
?? 非灰體輻射:只有DO 模型能夠允許用戶使用灰?guī)Ｐ陀?jì)算非灰體輻射。
?? 局部熱源:對(duì)于具有局部熱源的問(wèn)題,P-1 模型可能會(huì)過(guò)高估計(jì)輻射熱流。這種情況下,DO 模型可能會(huì)是最好的輻射計(jì)算方法,當(dāng)然,如果具有足夠多的射線數(shù)目,DTRM 模型的計(jì)算結(jié)果也可以接受。
?? 沒(méi)有輻射介質(zhì)情況下的封閉腔體內(nèi)的輻射傳熱:表面輻射換熱模型(S2S)適用于這種情況。從原理上講,使用具有輻射介質(zhì)的各種輻射模型也可以計(jì)算輻射表面間的換熱,但計(jì)算結(jié)果并非總是很好。

DTRM模型
離散傳播模型的跟蹤射線的定義:1)確定輻射面或輻射體用戶在Cells Per Volume Cluster and Faces Per Surface Cluster 區(qū)域的輸入將確定了輻射面和輻射體內(nèi)包含的計(jì)算單元數(shù)。缺省情況下,兩項(xiàng)均設(shè)定為1,因此表面束(輻射面)的數(shù)目就等于邊界面(單元)的數(shù)目;輻射體(輻射吸收單元體)的數(shù)目就等于計(jì)算域內(nèi)的單元總數(shù)。對(duì)于二維問(wèn)題,這些數(shù)目是可以承受的,但對(duì)較大規(guī)模的問(wèn)題,為了減少跟蹤射線的計(jì)算量,用戶需要減少輻射面與輻射體內(nèi)所包含的單元數(shù)目2)用戶在Theta Divisions and Phi Divisions 區(qū)域的輸入將確定每個(gè)輻射面所跟蹤計(jì)算的射線束Theta Divisions 確定了表米上圍繞P 點(diǎn),用于計(jì)算立體角的θ角方向的間隔數(shù)。立體角的設(shè)定基于的θ角的變化范圍為0 ~ 90度(圖11.3.2),其缺省設(shè)置為2,這表示從此表面發(fā)出的射線間隔角度為45度 ( θ角方向)。Phi Divisions 確定了表米上圍繞P 點(diǎn),用于計(jì)算立體角的φ角方向的間隔數(shù)。立體角的設(shè)定基于的θ角的變化范圍為2D 0~180 度和3D 0~360度,其缺省設(shè)置為2,這表示從此表面發(fā)出的射線間隔角度為2D 90度 ( φ角方向)。此設(shè)定與上述的θ角的缺省設(shè)置一起表明了在每個(gè)輻射面將會(huì)跟蹤4 條射線(2D)。需要注意的是,對(duì)于3D 情況,若要達(dá)到上述的相同精度,Phi Divisions 的設(shè)定需為4。多數(shù)情況下,推薦用戶至少把θ和φ角的設(shè)定數(shù)目加倍

S2S模型
在FLUENT計(jì)算角系數(shù):1)控制表面束用戶在Faces Per Surface Cluster 下的輸入將決定輻射面的數(shù)量。缺省情況下,其值為1。因此,表面束的數(shù)目將等于邊界面(單元)的數(shù)目。對(duì)于2D 問(wèn)題,這個(gè)數(shù)量是可接受的。對(duì)于大規(guī)模問(wèn)題,用戶可能會(huì)希望減少表面束的數(shù)目。從而減少角系數(shù)文件的大小和對(duì)內(nèi)存的需求。2)障礙面對(duì)于有阻礙面的情況,在View Factor and Cluster Parameters 面板中的Surfaces 選項(xiàng)下選定Blocking;對(duì)于非阻礙面,用戶既可以選擇Blocking也可以選擇Nonblocking,而這都不影響計(jì)算精度。但是,這種情況下最好是選擇Non-blocking,3)選擇(角系數(shù))光順(Smoothing)方法為了強(qiáng)制使角系數(shù)遵從倒易關(guān)系和守恒特性,可以對(duì)角系數(shù)矩陣實(shí)行光順處理。為了使用最小二乘法來(lái)光順角系數(shù)矩陣,在View Factor and Cluster Parameters 面板中的Smoothing 選項(xiàng)下選定Least Square。若不想對(duì)角系數(shù)矩陣進(jìn)行光順處理,可以在Smoothing選項(xiàng)下選定None。4)選擇角系數(shù)計(jì)算方法若要使用自適應(yīng)方法來(lái)計(jì)算角系數(shù),在View Factor and Cluster Parameters 面板中選擇Adaptive 選項(xiàng)。對(duì)于簡(jiǎn)單的幾何模型,推薦使用自適應(yīng)方法,因?yàn)閷?duì)于此類幾何體,自適應(yīng)方法比單位球法要快。若要使用單位球法計(jì)算角系數(shù),在View Factor and Cluster Parameters panel 面板中選定Hemicube 選項(xiàng)。對(duì)于大型復(fù)雜幾何體,推薦使用此方法。這是因?yàn)閷?duì)于此類幾何體,單位球法的計(jì)算速度更快。

DO模型
DO 模型的離散角度設(shè)定:。對(duì)于2D 情況,(因?yàn)閷?duì)稱)FLUENT 只求解四個(gè)象限。這樣,總共是求解4NφNθ個(gè)方向;對(duì)于3D 情況,求解8 個(gè)象限,因而求解方向?yàn)?NφNθ。缺省情況下,Theta Divisions 和 Phi Divisions 的數(shù)目均為2。對(duì)于多數(shù)實(shí)際問(wèn)題,這個(gè)設(shè)置是足夠的。更細(xì)的空間離散角的劃分可以更好的求解出較小的幾何特征或者是溫度在空間的強(qiáng)烈不均勻性。但是Theta Divisions 和 Phi Divisions 數(shù)目大這意味著加大計(jì)算代價(jià)。Theta Pixels 和Phi Pixels 可以用來(lái)確定象點(diǎn)。對(duì)于漫灰輻射, 1×1的缺省象點(diǎn)設(shè)置是足夠的。對(duì)于具有對(duì)稱面、周期性條件、(輻射)鏡面或者是半透明邊界,推薦使用3×3的象點(diǎn)設(shè)置。單應(yīng)該注意到的是,增加象點(diǎn)數(shù)目將加大計(jì)算量。

DO 模型的非灰體輻射當(dāng)Number Of Bands 被設(shè)定非0 時(shí),Radiation Model 面板會(huì)再次擴(kuò)展以顯示出Wavelength Intervals 項(xiàng)(圖11.3.14)。用戶可以對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)帶設(shè)定名稱(Name),同時(shí)設(shè)定波帶的開(kāi)始與結(jié)束波長(zhǎng)(Start and End,單位為μm )。需要注意的是,波帶的設(shè)定是基于真空的( n=1 )。在對(duì)于具有不等于1 的折射率n 的實(shí)際介質(zhì)波帶,FLUENT 將自動(dòng)考慮介質(zhì)折射率對(duì)波帶的影響。
例如,對(duì)于某種玻璃,其具有某個(gè)吸收系數(shù)的間斷點(diǎn),間斷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為λc 。當(dāng)λ≤λc時(shí),吸收系數(shù)為1a1 ; 當(dāng)λ>λc 時(shí)。吸收系數(shù)為a2。玻璃的折射率為ng 。由于穿越半透明界面時(shí),nλ為常數(shù),對(duì)于n=1的介質(zhì)其等效間斷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為ngλc,此種情況下,用戶應(yīng)設(shè)定兩個(gè)波帶(極值),分別為0→ngλc 和ngλc → 100 。這里,為了確保整個(gè)輻射光譜處于波帶之內(nèi),上界波長(zhǎng)已設(shè)定為較大的數(shù)值100。當(dāng)存在多種介質(zhì)時(shí),用戶應(yīng)該將所有的間斷點(diǎn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化為介質(zhì)n=1中對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),并確定相應(yīng)的波長(zhǎng)界限。

DO 模型的漫射壁面邊界條件 diffuse fraction=1
DO 模型的鏡面邊界條件 diffuse fraction=0
DO 模型的半透明邊界條件 diffuse fraction=0~1

四、熱輻射模型

Discrete Transfer Radiation Model (DTRM)

DTRM模型的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單, 且可以適用的計(jì)算對(duì)象的尺度范圍較大, 其缺點(diǎn)是沒(méi)有包含散射和不能計(jì)算非灰的輻射。提高模型中射線的數(shù)量可以提高DTRM模型的精度,但計(jì)算量也明顯增加。

P-1模型

P-1模型是P-N模型的簡(jiǎn)化,適用于大尺度輻射計(jì)算。對(duì)比DTRM模型,其優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算量更小,且包含散射效應(yīng)。當(dāng)燃燒計(jì)算域的尺寸比較大時(shí),P-1模型非常有效。另外P-1模型可應(yīng)用在較為復(fù)雜的計(jì)算域中。

The Rosseland Model

Rosseland模型是最為簡(jiǎn)化的輻射模型,只能應(yīng)用于大尺度輻射計(jì)算。其優(yōu)點(diǎn)是速度最快,需要內(nèi)存最少。

Discrete Ordinates (DO) Model

DO模型是所有四種模型是最為復(fù)雜的輻射模型,從小尺度到大尺度輻射計(jì)算都適用,且可計(jì)算非-灰度輻射和散射效應(yīng),但需要較大計(jì)算量。

縱上所述,我們可以看到,無(wú)論在模型數(shù)量上,還是在模型先進(jìn)性上,FLUENT軟件提供了遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它商用CFD軟件的燃燒模型。例如,在氣相燃燒模型上,Star-CD僅僅提供了傳統(tǒng)的有限速率模型和PDF模型,而缺乏在航空航天領(lǐng)域燃燒問(wèn)題中應(yīng)用最為重要的非平衡火焰模型和預(yù)混模型;在分散相模型上,與Star-CD相比,Fluent軟件同樣提供了更為豐富、更為先進(jìn)的物理模型。

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