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本文描述利用Fluent模拟传热问题常用的一些方法与技巧。

利用Fluent提供的默认参数可以成功解决许多简单的传热问题，但仍然可以使用下面提供的一些方法来加速收敛和/或提高求解的稳定性。

注：本文译自FluentUserGuide14.2.2

”1能量方程的亚松弛

使用压力基求解器时，Fluent会使用在SolutionControls任务页面中定义的Under-RelaxationFactors参数来对能量方程进行松弛处理。

无论采用何种求解形式（温度或焓），Fluent对能量方程使用默认的松弛因子1.0。在能量场影响流体流动的问题中（通过依赖于温度的特性或浮力），应使用较低的亚松弛因子，设置范围为0.8–1.0；在流场与温度场解耦的问题中（无温度相关特性或浮力），通常可以保留其默认值1.0。

2解焓方程时的温度松弛

求解能量方程的焓形式时（当使用非绝热非预混合燃烧模型时），Fluent也会对温度进行亚松弛，仅以（低松弛）焓值更改所导致的变化的一小部分来更新温度。若想要让焓场快速变化，但温度响应（及其对流体属性的影响）滞后时，第二级的亚松弛可以很好地发挥作用。Fluent使用默认设置1.0作为温度亚松弛因子，可以在SolutionControls任务页面修改该设置。

3禁用组分扩散项

当使用压力基求解器模拟组分输运问题遇到收敛困难时，可以考虑禁用SpeciesModels对话框中的DiffusionEnergySource选项。

禁用此选项后，Fluent将忽略组分扩散对能量方程的影响。注意，当使用密度基求解器时，将始终包含组分扩散效应。

4分步求解

如果流动和传热是分离的（模型中没有依赖于温度的材料属性或浮力），则可以先求解等温流动（关闭能量方程）产生收敛的流场，然后单独求解能量方程。由于密度基求解器始终同时解算流动方程和能量方程，因此仅针对能量的求解过程仅适用于压力基求解器。

如果流动和传热是耦合的(即模型中包含与温度相关的材料属性或浮力)，则可以在启用能量之前首先求解流动方程。获取收敛的流场之后，启用能量方程并同事求解流动和能量方程，以完成传热模拟。

5瞬态共轭传热

对于瞬态共轭传热（CHT）尤其是燃烧相关的问题，流体区域和固体区域的时间尺度通常差异较大，这可能会导致不利的结果。通过为固体区域指定不同的时间步长，可以降低计算发散的风险。一些问题中可以通过松弛CHT的耦合性来提高计算速度，还可以选择在CHT边界指定时间平均的显式耦合。

5.1指定固体时间步长

当以适合于流体区域的时间步长同时求解流体区域和固体区域时，固体区域能量方程的计算会变得不那么稳健。此时可以通过使用更大的固体区域时间步长来稳定模拟，从而考虑固体区域的高热惯性；这允许固体区域更快地达到平衡，从而降低收敛风险，同时不影响流体流动的求解精度。需要注意的是，此时固体区域的热场仍将以与流体区域相同的速率更新，并且它们将保持完全耦合，单独指定更大的时间步长并不会减少冗余计算或提高性能。

对于同时包含固体区域和流体区域以及启用了能量方程的瞬态模拟，可以使用RunCalculation任务页面指定不同的固体时间步长，如下图所示。

在面板中激活选项SpecifySolidTimeStepSize使用Method下拉列表中的默认Automatictimestepsize由软件计算时间步长大小；或选择UserSpecified并指定时间步长。

注：通过使用LooselyCoupledConjugateHeatTransfer选项及SpecifySolidTimeStepSize选项，可以提高某些共轭传热问题的模拟性能。

”

当选择使用Automatictimestepsize选项时，Fluent使用下式计算固体区域的时间步长：

式中，

为特征长度尺度，通过

计算得到；

，这里

为热导率，

为密度，

为固体的比热容。

的计算得出了固体时间步长的近似值，这可能有助于求解过程更有效地运行。然而应该注意的是，这只是一个工程近似值，因为没有通用方法来计算任意几何体的有意义长度长度。

5.2松耦合共轭传热

对于共轭传热（CHT）模拟，默认情况下使用完全耦合的方法，以便将整个区域（包括流体和固体区域）一起求解，并在每个流体时间步求解和更新固体和流体中的能量场。相反，也可以将CHT松散耦合，以便使用多域体系结构（在单个Fluent会话中）在模拟过程中仅在几个时间点上计算固体区域中的能量场，从而提高模拟的速度。通过这种方法，当固体区域未求解时，将固体区域的温度边界条件分配给流体域，然后以完全耦合的方式周期性地求解流体和固体区域。

松耦合的CHT只有在某些条件下才可使用：

问题必须是瞬态模型中必须同时具有流体和固体区域能量和流动方程必须启用不适用于密度基求解器要求网格在流固界面处共节点，以保证精度。因此当此界面作为动网格或自动自适应的一部分进行网格重构时，不支持此功能不适用于多孔介质区域如果模型中的网格界面使用了Mapped选项，则不能使用如果已定义了显式热耦合，则不能使用

可以在RunCalculation任务页中启用CHT松耦合：

激活选项LosselyCoupledCoujugateHeatTransfer，可以在CouplingBasis下拉列表框中选择不同的选项

选择Time并设置TimePeriod，以指定在设定的时间执行耦合计算选择FluidTimeStep并指定NumberofFluidTimeSteps，以指定执行耦合计算的流体时间步数。此方法在使用自适应时间步时不可用。

当User-Specified方法被选中后，SpecifySolidTimeStepSize将自动启用，应确保TimeStepSize等于或大于松耦合的周期。

可以在开始时使用高耦合频率，当固体区域的温度开始达到平衡状态时，逐渐降低耦合频率。这将有助于在不影响性能增益的情况下快速、平稳地收敛固体温度。

5.3时间平均的显式热耦合

对于涉及共轭传热的瞬态模拟，可以选择指定时间平均显式耦合。这种方法同时求解流体和固体的能量方程，这与松耦合共轭传热方法不同，在松耦合共轭传热方法中，固体只在需要时与流体一起求解。流体域和固体域通常在每个耦合周期内以不同的时间步长推进求解。每个耦合周期都有一定数量的时间步长，在这些时间步长上会发生热边界条件量的交换。

在每个循环中都采用了Dirichlet–Neumann热耦合。在每个循环结束时，将convective热边界条件应用于固体侧的壁面，瞬时固体侧温度应用于流体侧的壁面。流体侧的时间平均热流用于计算convective热边界条件参数（固体侧的传热系数和自由流温度）。

通过工具按钮Physics→ModelSpecific→ExplicitThermalCoupling...打开时间平均显式热耦合对话框。

在此对话框中执行以下设置：

在CoupledWall列表框中选择希望转化为显式时间平均耦合的面点击按钮Add将面添加到右侧的列表框中指定参数Numberoftimestepspercouplingiteration点击OK按钮关闭对话框

需要注意的是，如果在当前模型中替换计算网格，则必须重新定义瞬态显式热耦合壁面。

（完）

流沙CAE

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