摘要 

今日学习了传热基本模式（传导、对流、辐射、相变）、热传导的傅里叶定律、对流的牛顿冷却定律以及自然对流的物理机制和常用密度模型。

Abstract

Today, I learned the basic modes of heat transfer (conduction, convection, radiation, and phase change), Fourier's law of thermal conduction, Newton's law of cooling for convection, and the physical mechanisms and common density models for natural convection.

仿真流体Fluent：

热交换模型包含四种基本传热机制：

热传导发生在固体或静止流体介质中，源于原子、分子振动或电子运动，由温度梯度驱动产生热扩散。

热对流依赖流体宏观流动携带热量，是流体与固体壁面间或流体内部热量交换的主要方式。

热辐射通过电磁波形式传递能量，无需介质即可在真空中传播，如太阳辐射。

相变传热伴随物质状态改变（如蒸发、凝结）发生，本质是潜热吸收或释放的过程。

Fluent 中的传热模型支持全模式耦合仿真，涵盖热传导、强制/自然对流、辐射、相间能量源（相变）、流固耦合、黏性耗散及组分扩散等机制。

开启传热计算的核心操作是在“Setting Up Physics”阶段的“物理模型”选项卡中勾选“Energy”（能量方程）。该设置是后续定义材料热物性、边界条件及求解温度场的基础前提。

热传导的理论基础是傅里叶定律，其核心要点如下：

• 基本原理：传热速率与温度梯度成正比，数学表达式为 qconduction​=−kΔT，其中比例系数 k为热导率（材料固有属性）。

• Fluent自动计算：只要激活能量方程，软件会自动在所有流体和固体区域计算热传导。

• 热导率特性：

  • 可以是温度、空间等的函数；

  • 各向同性材料：k为常数；

  • 各向异性材料：k为矩阵形式。

• 软件设置：在材料属性面板中定义热导率，支持多种输入方式，包括常数（constant）、分段线性（piecewise-linear）、多项式（polynomial）、表达式（expression）或用户自定义（user-defined）等。

对流传热是流体移动携带热量的过程，其与流体流动紧密耦合，需在同时激活能量方程和流动方程时求解（此时流体内部的热传导亦被一并计算）。

关键影响因素：传热速率很大程度上取决于流体速度，且流体物性（如空气）可能随温度显著变化。

数学表征：壁面处的对流传热速率由牛顿冷却定律描述：

hˉ为对流传热系数（单位：W/(m²·K)），Tbody​为壁面温度，T∞​为来流温度。壁面传热系数通常通过湍流热壁函数进行计算。

自然对流是由温度差引起密度变化，在重力场作用下产生的自发流动现象。

物理机制与方程处理：

• 驱动源：流体受热后密度减小，与周围流体形成密度差，在重力作用下产生浮力驱动流动。

• Fluent设置：需在动量方程中激活重力项，此时压力梯度和体积力项需改写为考虑密度差的修正形式 −∂x∂p​+(ρ−ρ0​)g，并引入修正压力 p′=p−ρ0​gx（其中 ρ0​为参考密度）。

工程建模方法：

为简化计算，常采用近似密度模型描述自然对流，主要包括：

• Boussinesq 密度模型（小温差下的线性近似）

• Incompressible Ideal Gas 密度模型（不可压理想气体假设）

右侧速度矢量云图直观展示了自然对流形成的典型回流涡结构。