【原】一文搞懂fluent辐射模型的区别

CFD流 2020-10-30

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“ 长风破浪会有时，直挂云帆济沧海！”

我们都知道热量传递有三种方式，导热、对流及热辐射。与导热和对流相比热辐射有两个特点：1，热辐射的能量传递不需要其他介质的存在，且在真空中的传递效率最高。2，在物体发射与吸收辐射能量的过程中发生了电磁能与热能两种能量形式的转换。在Fluent中提供了如下六种辐射模型，可以在热传递模拟中包含辐射(无论是否有参与介质)。今天我们就来聊一聊这几个模型的区别

Discrete Transfer Radiation Model (DTRM) ；
P-1 Radiation Model ；
Rosseland Radiation Model ；
Surface-to-Surface (S2S) Radiation Model ；
Discrete Ordinates (DO) Radiation Model ；
Monte Carlo (MC) Radiation Model ；

非常适合使用辐射传热进行模拟的应用包括:

火焰的辐射传热；
面对面辐射加热或冷却；
辐射，对流，或热传导的耦合传热；
暖通空调应用中透过窗户的辐射，以及汽车应用中的座舱传热分析；
辐射用于玻璃加工、玻璃纤维拉丝、陶瓷加工；
当辐射热通量比对流或传导的传热速率大时，应在模拟中包括辐射传热，这通常发生在高温下，此时辐射热流对温度的四阶依赖意味着辐射将占主导地位。

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DTRM模型

DTRM的主要优点有三方面:这是一个相对简单的模型；可以通过增加射线的数量来提高精度；它适用于广泛的光学厚度范围。

在Fluent中使用DTRM模型时，应注意以下限制:

DTRM假设所有表面都是漫射的，这意味着入射辐射在表面的反射相对于固体角是各向同性的；
散射的影响不包括在内；
该实现采用灰体辐射；
处理大量射线的问题是比较耗费cpu的；
DTRM与非共形界面和滑动网格不兼容；
DTRM不兼容并行处理。

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P-1模型

P-1，模型相对于DTRM模型有几个优点。对于p -1模型，CPU需求较小。这个模型包括了散射的影响。在光学厚度较大的燃烧应用中，P-1模型运行良好。此外，P-1模型可以很容易地应用于复杂几何。但是使用P-1辐射模型时，应注意以下限制:

P-1模型假设所有表面都是漫射的。表示入射辐射在表面的反射相对于固体角是各向同性的；
如果光学厚度很小，可能会有精度的损失，这取决于几何结构的复杂性；
P-1模型倾向于过度预测局部热源或冷源的辐射通量。

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Rosseland模型

相比与P-1模型，Rosseland模型有两个特点：

由于它不求解入射辐射的额外传输方程(就像P-1模型那样)，Rosseland模型比P-1模型更快，需要更少的内存。
Rosseland模型只能用于光学厚介质，建议在光学厚度超过3时使用。

注意，在使用密度基求解器时，Rosseland模型是不可用的;它只能使用压力基求解器。

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DO模型

DO模型覆盖了整个光学厚度范围，并允许求解从表面到表面的辐射到参与燃烧问题的辐射等问题。它还允许在半透明的壁面上求解辐射问题。对于典型的角离散化，计算成本适中，内存需求也适中。

目前的实现仅限于使用灰体模型的灰体辐射或非灰体辐射。用精细的角度离散化来求解问题可能会耗费大量cpu。

ANSYS Fluent中的非灰体实现用于具有光谱吸收系数的参与介质，该光谱吸收系数在光谱波段中逐步变化，但在波段内平滑变化。例如，玻璃显示这种类型的带状行为。目前的实施并没有模拟二氧化碳或水蒸气等气体的行为，它们以不同的波数吸收和释放能量。非灰体气体辐射的模拟仍是一个不断发展的领域。然而，一些研究者已经使用灰色带模型来模拟气体行为，方法是将每个带内的吸收系数近似为常数。如果需要，可以在ANSYS Fluent中实现。

ANSYS Fluent的非灰色实现与DO模型的灰体实现兼容。因此，它可能包括散射、各向异性、半透明介质和微粒效应。然而，非灰体实现假设在每个波段内吸收系数恒定。weighted-sum-of-graygases model(WSGGM)不能用来指定每个波段的吸收系数。该实现允许在壁面上指定光谱发射率。假定发射率在每个波段内是恒定的。

在使用DO辐射模型时，应注意以下限制:

DO模型不支持使用颗粒(流体-固体)欧拉多相流模型。

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s2s模型

表面对表面(S2S)辐射模型适用于没有参与介质的封闭体辐射传递的模拟(例如，航天器散热系统、太阳能集热器系统、辐射空间加热器和汽车发动机罩下冷却系统)。与DTRM和DO辐射模型相比，S2S模型每次迭代的时间要快得多，尽管视图因子计算本身是比较耗费cpu的。当发射/吸收表面是多面体单元的多角形面时，视图因子计算时间的增加将特别明显。使用S2S辐射模型时，应注意下列限制: