在傳熱的仿真中，有時候會不可避免的涉及到輻射傳熱，而我們對Fluent中輻射模型的了解甚少，很難得到可靠的計算結果。因此，一直以來，Fluent中的帶輻射的傳熱仿真是我們的一個難點，本專題重點來學習輻射模型的理論，讓我們對輻射計算模型有一個深入的了解，以幫助我們攻克這個仿真難點。

在Fluent中開啟輻射模型時，流體介質以及固體壁面會出現一些專業的參數需要用戶來設置。

在Fluent help中介紹輻射模型時會經常提到一些專業術語。

對這些專業參數以及術語，我們來一一解釋：

1、Optical thickness(光學深度，無量綱量)：介質層不透明性的量度。即介質吸收輻射的能力的量度，等于入射輻射強度與出射輻射強度之比。設入射到吸收物質層的入射輻射強度為

I ，透射的輻射強度為 e，則 T =

I/e，其中T為光學深度。按照此定義，那介質完全透明，對輻射不吸收、也不散射，透射的輻射強度e=入射輻射強度I，即光學深度為T=1，介質不參與輻射。—摘自百度百科

而FLUENT中T=αL，其中L為介質的特征長度，α為輻射削弱系數(可理解為介質因吸收和散射引起的光強削弱系數)。如果T=0，說明介質不參與輻射，和百度百科中的定義有出入。但是所表達的意思是接近的，一個是前后輻射量的比值；一個是變化量和入射輻射量的比值(根據Fluent help里的解釋，經過介質的輻射損失量 =I*T，個人理解，按照此定義，T不可能大于1啊，矛盾。// Theory Guide :: 0 // 5. Heat Transfer // 5.3. Modeling

Radiation // 5.3.2. Radiative Transfer

Equation)。該問題的解釋為：其實一點也不矛盾，如果Optical thickness =1，就說明輻射在經過一定特征長度L的介質后被完全吸收。如果>1，就說明輻射根本穿透不了特征長度L的介質，而被早早吸收完了。打個比方，Optical thickness=10，說明輻射在經過L/10距離后已經被吸收(或散射)完。

其中α=αA+αS；

2、Absorption Coefficient(αA吸收系數，單位1/m，見圖2-1)：因為介質吸收而導致的輻射強度在經過每單位長度介質后改變的量。空氣作為流體介質時，一般不吸收熱輻射，該系數可近視設為0。而當氣體中水蒸氣和CO2含量較高時，那對輻射的系數就不能忽略了。

3、Scattering Coefficient(αS散射系數，單位1/m)：因為介質散射而導致的輻射強度在經過每單位長度介質后改變的量。空氣作為流體介質時，一般情況下，該系數可近視設為0。對于含顆粒物的流體，散射作用不容忽視。

4、Refractive Index(折射系數，無量綱量)：介質中的光速和真空中的光速之比。如是空氣，可近視設為1(默認值)。一般對于具有方向性的輻射源問題，比如LED發光或激光等光學傳熱問題，輻射在經過水以及玻璃等透明介質時，需要設置該參數。一般情況，熱輻射在計算域中是往各個方向輻射的，各項同性，沒有方向性，該參數設為1即可。

圖2-1

介質的輻射相關參數設置

5、Diffuse Reflection(漫反射)：輻射到不透明固體表面的能量，一部分被固體吸收，另一部分被反射，其中反射分為鏡面反射和漫反射。

6、Specular Reflection(鏡面反射)：

7、Internal Emissivity(內部發射率)：處于計算域中的couple wall，solid和 fluid

zone或者solid和solid

zone 或者 fluid和fluid

zone 之間的輻射率。

8、External Emissivity(外部發射率)：處于計算邊界上wall，外部環境和wall之間的輻射率。對于基于灰體輻射假設的計算，灰體輻射率不隨波長變化，灰體輻射率=吸收率；

9、Theta Division and Phi Division：設置為2，可作為初步估算；為了得到更為準確的結果，最少設置成3，甚至為5，Fluent13.0默認值為4。

10、Theta Pixels and Phi Pixels：對于灰體輻射，默認值1*1足夠了；但是對于涉及到對稱面、周期性邊界、鏡面反射、半透明邊界時，需設置為3*3；

Fluent中有五種輻射計算模型，各個模型的使用范圍以及其優缺點分別為：

1、DTRM模型：

優勢：模型相對簡單，可以通過增加射線數量來提高計算精度，適用于光學深度范圍非常廣的各種輻射問題。

限制：1)模型假設所有面都是漫反射，意味著輻射的反射相對于入射角是各項同性的，無鏡面反射。

2)忽略散射作用。

3)灰體輻射假設。

4)使用大數目射線求解問題，非常耗費CPU資源。

5)和非一致網格(non-conformal interface)、滑移網格(sliding mesh)不能一起使用，不能用并行計算。

2、P1模型；：

優勢：相比DTRM模型，P1模型耗費自己資源更少，并且考慮了散射作用；對于光學深度較大的燃燒模型，P1模型更穩定。P1模型使用曲線中uobiao比較容易處理復雜幾何的輻射問題。

限制：1)假設所有面都是漫反射，和DTRM相同。

2)使用與灰體和非灰體輻射問題。

3)如果光學深度很小時，模型計算精度取決于幾何的復雜性。

4)對于局部熱源以及散熱片問題，該模型會夸大輻射傳熱量。

3、Rossland模型：

優勢：相對P1模型。它不求解額外的關于入射輻射的傳輸方程，因此比P1模型耗資源要少。

限制：只能用于光學深度比較大的情況，推薦用于光學深度大于3的情況；不能用于密度求解器，只能用于壓力求解器。

4、Surface-to-Surface(S2S)輻射模型；

優勢：非常適用于封閉空間中沒有介質的輻射問題，(如航天器、太陽能搜集系統、輻射供熱裝置等)；

限制：1)所有面都是漫反射。

2)灰體輻射假設。

3)在表面增加時，耗費計算資源大幅增加。

4)不能用于介質參與的輻射問題(participating radiation)。

5)不能和周期性邊界、對稱邊界、非一致網格交界面、網格自適應一起使用。

5、DO模型

優勢：適用于所有光學深度范圍的輻射問題；既能求解S2S的無介質封閉區域問題，也能求解介質參與的輻射問題。適用于灰體、非灰體、漫反射、鏡面反射以及半透明介質的輻射。

DTRM和DO模型幾乎可適用于所有光學深度問題，相比之下，DO模型的范圍更廣。

光學深度>1，可用P1和Rossland模型；而>3時，Rossland模型比較合適。

對于光學深度<1的問題，只能用DTRM和DO模型。

S2S適用于光學深度為0的問題，即流體介質不參與輻射的問題。

總結：一般關于空氣對流輻射的問題，屬于光學深度=0的問題，因此可使用DTRM、S2S、DO模型，在ICEPAK解決輻射問題就有這三個模型的選項(在13.0版本中才加入DTRM和DO模型)。

從簡單的2D

case入手，在實際操作中真正搞清楚 emissivity 和 absorption coefficient的含義，以及Fluent中 solid和fluid

zone之間的輻射傳熱機理。

3.1

Case1-測試external

emissivity使用DO模型計算-2D模型

2D模型，直徑2m，external radiation temperature 400K，圓形為solid，恒溫300K

圖3-1 溫度場分布圖

圖3-2 輻射換熱設置

設置external emissivity 1，計算出外界對wall輻射傳熱功率為6230.3188W，根據理論公式計算：

Pra=5.67e-8*1*3.14*2*(400^4-300^4)=6231W。

仿真結果和理論計算非常接近。

將external emissivity 設成0.5，計算出輻射傳熱功率為3114.6W。改變internal emissivity的值，計算值不變。

從以上仿真結果可知：

1、2.1小結的第八點external emissivity的解釋是正確的，輻射傳熱基于灰體假設，輻射系數等于吸收系數。

3.2

Case2-測試internal

emissivity-使用DO模型計算-2D模型

1)Solid(Al)-solid(Steel)-solid(Al)-case

圖3-3 從里到外Solid(Al)-solid(Steel)-solid(Al)

i)Internal solid Fix temperature=400℃， external radiation

temperature=300，external emissivtiy=1；internalemissivtiy=1：

圖3-4溫度分布以及換熱量

ii)internal emissivtiy=0：

圖3-5溫度分布以及換熱量

從圖4、5可知，上下兩張圖的溫度分布非常相近，上圖中溫度稍高，而zone之間的換熱量存在差異，將internal emissivity改為0，代表兩個不同材料的zone之間輻射傳熱量為零，因此總傳熱量從5555W降低至5055W。可知，Fluent中認為緊密相連的兩個solid

zone(存在couple wall)之間是存在輻射傳熱的(也可設置為無輻射傳熱)，相當于實際情況中的兩個物體的接觸面，只不過在Fluent中未設置接觸熱阻。總結：實際情況中有接觸熱阻，有輻射傳熱；Fluent中無接觸熱阻，有輻射傳熱。用Fluent一般不進行涉及接觸熱阻細節的仿真。

2)Solid(Al)-fluid(air)-solid(Al)，no

gravity-case

i)，external emissivtiy=1；internal emissivtiy=1，fluid的absorption coefficient=0；

圖3-6 溫度分布以及換熱量

中心400K的solid往external solid的輻射傳熱功率為：

Pra=5.67e-8*1*3.14*1*(400^4-335^)=2315W，和fluentreprot值2333W(包含了空氣熱傳導的功率)比較接近；

ii)internalemissivtiy=0，fluid的absorption coefficient=0；

圖3-7 溫度分布以及換熱量

將internal emissivtiy=0后，傳熱功率下降為21W，說明無輻射換熱時，僅靠空氣導熱的傳熱功率非常小。

iii)Fluid 和external solid之間的internal emissivtiy=1，fluid的absorption coefficient=1；

圖3-8 溫度分布以及換熱量

iv)Fluid 和external solid之間的internal emissivtiy=0，fluid的absorption coefficient=1；

圖3-9 溫度分布以及換熱量

v)Fluid 和external solid之間的internal emissivity=1，fluid

absorption coefficient=0，external solid absorption coefficient=1，conductivity=0.02；

vi)emissivity=1，fluid

absorption coefficient=0，external solid absorption coefficient=10，conductivity=0.02

圖3-10 溫度分布以及換熱量

圖3-11 溫度分布以及換熱量

從以上仿真結果，可以得出以下結論：

1、2.1小結的internal emissivity以及external emissivity的解釋是正確的。

2、air 的absorption coefficient的默認值=0，代表air 不吸收輻射，即不參與輻射。

3、solid的absorption coefficient的默認值=0，代表solid吸收輻射，并且absorption coefficient為無窮大，輻射被固體表面直接吸收。輻射系數可設置。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的fluent p1模型_Fluent辐射传热模型理论以及相关设置-转载 于 作者：Libo Chen的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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