ANSYS Fluent案例解析_共轭换热

本篇章将简要介绍什么是共轭换热？并分享一个关于共轭换热的简单案例_

▉ 共轭换热

▉ 案例解析

▉ 讨论

问：什么是CHT？共轭换热？

答：Conjugate Heat Transfer，即共轭换热是指两种材料热属性的物理之间通过介质或者直接接触，发生的一种耦合换热现象。

◆流体传热与固体传热相互耦合。

◆由于流体求解器同时具备流体与固体传热计算的能力，因此可以直接采用流体求解器进行求解，无需使用流固耦合计算。

◆流体求解器能够求解流体对流、传导、辐射传热，对于固体传热计算，只能求解热传导方程。

问：为什么使用CHT？

◆如果只关心流体区域与固体壁面之间的传热，不涉及固体壁面内的导热，这仅是一个对流换热问题，不涉及耦合换热。

◆当我们对流体域中含有固体材料的温度分布感兴趣时，可以使用conjugate heat transfer（CHT）进行数值模拟。

✦解决在管道总存在流体且温度会透过管壁传递时温度传热；

✦两个流体区域被厚壁分离，能量能通过壁厚从一个流体区域传向另一个流体区域时；

✦必须存在固体部分才能进行CHT数值模拟，即必须同时存在流体区域和固体区域；

▉ 问题描述

管道长2m，管道内径0.04m，壁厚0.005m；

管道内流通热水，入口速度1m/s，热水温度350K，湍流强度5%，水力直径0.04m；

环境温度为300K；

空气与管道外表面的传热系数为20W/(m^2·K)；

管道材质为Steel，可直接在Fluent材料库中调用；

▉ 建模、前处理

本案例模型比较规则，比较适合采用六面体网格；

可自行选择自己喜欢的建模软件和前处理方法进行模型的创建与前处理，或可直接采用我的模型，模型中流体区域fluid与管道固体区域pipe是完全节点合并的，模型文件会在篇章末尾进行分享；

分享中另附一篇该案例的网络教程，其固体区域与流体区域未进行节点合并，而是选择采用Interface进行数据交互；

▉ 模型导入

导入模型，进行check，主要不能出现负体积和负面积，依据需要设置Scale和Units(单位)，General界面其他保持默认即可_

▉ 模型选择

开启能量方程；

双击打开Viscous，选择k-epsilon方程，其他保持默认；

▉ 赋予材料属性

本次使用的流体材料为water-liquid，固体材料为steel，在Fluent Database中就有，可直接Copy(复制)出来使用；

分别将这两种材料属性赋予流体域和固体域；

▉ 边界条件设置

设置入口为速度入口边界条件；

设置出口为压力出口边界条件；

设置well_out的type为well，并对其进行热边界条件设置；

设置well_side的type为well，并对其进行热边界条件设置；

关于well_out和well_side分别是哪个面可自行打开模型查看；

[注意]

◆在模型导入时，流体域与固体域的交界处会自动生成一个well和一个well_shadow，其中well是流体域的边界，设置内包括Momentum(针对流动的动量设置)和Thermal(针对热的热边界设置)，而well_shadow是固体域的边界，设置内仅包括Thermal(针对热的热边界设置)；

▉ 监测设置、初始化、计算

可对出口的平均温度进行设置监测以便于查看计算的收敛情况，对模型进行初始化后计算_

▉ 后处理

计算完成后可进行后处理操作_