摘要 

今日学习了共轭换热、辐射传热的机理与模型、相变模拟方法，以及多种壁面热边界条件的设置类型与应用场景。

Abstract

Today, I learned about conjugate heat transfer, the mechanisms and models of radiation heat transfer, phase change simulation methods, and the types and application scenarios of various wall thermal boundary condition settings.

仿真流体Fluent：

共轭换热（CHT，Conjugate Heat Transfer）涉及流体与固体交界面的耦合传热过程。在Fluent中，当读取包含流体与固体区域的网格时，软件会自动为交界面创建主壁面（wall）和对应的阴影面（wall_shadow）。默认情况下，采用耦合（Coupled）边界条件，此时壁面自动平衡两侧的能量交换，实现流体与固体之间的共轭传热计算（如图示冷却液流过加热棒的案例所示）。

辐射传热是通过电磁波（热辐射）进行能量传递的方式，其波长范围覆盖电磁频谱的0.1~100 μm（主要为红外波段）。

根据物体特性，辐射现象分为两类：

• 半透明物体（如玻璃、燃烧产物气体）：辐射表现为体积现象，因为辐射能在物体内部传播并逸出；

• 不透明物体：辐射表现为表面现象，因为内部辐射几乎全部被吸收。

典型工程应用包括太阳能负载（HVAC）、车头灯及玻璃熔窑等。

在热仿真中判断是否考虑辐射传热，需比较辐射热通量与传导/对流传热速率的数量级：

• 辐射热通量公式：其中 σ为 Stefan-Boltzmann 常数（5.6704×10−8W/(m2⋅K4)）

• 传导/对流传热估算：

当两者数值相当时应考虑辐射效应。Fluent 提供六种热辐射模型供选择，包括：关闭（Off）、Rosseland、P1、离散传递法（DTRM）、表面对表面（S2S）、离散坐标法（DO）和蒙特卡洛法（MC）。图示案例为加热器（400K）通过半透明玻璃向壁面的辐射传热过程。

相变是指物质改变物理状态（如冷凝、蒸发、沸腾、融化/凝固）时伴随释放或吸收热量的现象。模拟此类现象通常需要结合多相流模型（如欧拉多相流）或用户自定义函数（UDF）来实现。典型应用包括戊烷燃烧过程中的液滴蒸发轨迹与温度场模拟，以及核燃料组件中的沸腾蒸汽体积分数计算。

壁面热边界条件在作为外部边界时，主要包括以下几种类型：

1. 恒定热通量或温度：直接指定壁面的热流密度或温度值。

2. 对流边界：模拟壁面与外部环境的对流换热，计算公式为，其中需用户定义换热系数和来流温度。

3. 辐射边界：模拟壁面与外部环境的辐射换热，计算公式为，需用户定义外部发射率和环境辐射温度。

4. 混合（Mixed）边界：同时考虑对流和辐射的综合效应，公式为

5. 通过系统耦合（Via System Coupling）：当 Fluent 与其他系统（如 Workbench）进行协同仿真时使用。

6. 通过映射交界面（Interface）：通过交界面边界条件实现热量传递。

壁面热边界条件根据边界类型可分为外部边界和内部边界两种情况，但无论哪种类型，都包含一些共同的设置选项：

内部边界条件（如流体与固体交界面）：

• 恒定热通量或温度

• 耦合（Couple）：实现壁面两侧能量自动平衡

外部边界条件（如壁面暴露于环境）：

• 恒定热通量或温度

• 对流换热

• 辐射换热

• 混合（对流+辐射）

共同包含的选项（适用于所有边界类型）：

• 壁面厚度

• 热源功率

• 材料属性

• 薄壳传热（壳导热）

图中展示了在 Fluent 中设置壁面耦合边界条件的界面示例，相邻单元区域为固体（cont-solid-board），阴影面区域自动生成为 wall-chip-bottom-shadow。