Fluent中的wall thickness与shell conduction深度解析

如下图所示，当我们用fluent计算传热时，我们给壁面施加一个热边界条件，有时候我们希望给壁面施加一个虚拟的厚度，而不必建立几何实体。那么我们到底应该选择wall thickness还是应该选择shell conduction？这两者有什么区别？下面我们作一简单的介绍。

01wall thickness

默认情况下，壁面的厚度为零。然而，你可以结合任何的热边界条件，在壁面上建立一层薄薄的材料模型。例如，您可以模拟两个流体区域之间的一块金属片的影响，固体区域上的涂层，或两个固体区域之间的接触阻力。 ANSYS Fluent将求解一维稳态热传导方程，计算壁面的热阻和壁面内产生的热量。
 

为了在传热计算中包括这些影响，您需要指定材料的类型、壁厚和壁内的热生成率。选择材料输入材料名称下拉列表,并指定壁厚的厚度。如果您想检查或修改所选材质的属性，可以单击“编辑”…打开编辑材质对话框。这个对话框只包含所选材质的属性，而不是标准的创建/编辑材质对话框的全部内容。

当指定厚度时，该壁将被视为耦合壁，其中与流体/固体单元相邻的表面称为“wall surface”。见Figure 6.40: A Thin Wall.

壁面的热阻为:Δx/k, 式中k为壁面导热系数，Δx为壁厚。您设置的热壁边界条件将在由壁厚与流体/固体单元分隔的表面上指定。这一边的温度是T_b。

在热生成率场中指定壁面内的产热率。例如，如果您要对已知电路中耗散的电能的印刷电路板进行建模，则此选项非常有用。当对有厚度但不具有壳层传导的壁进行后处理时，温度…类别提供三种选择:相邻流体/固体单元的温度存储为静态温度;将壁面本身的温度存储为壁面温度;通过壁厚与流体/固体细胞分离的表面温度被储存为壁温(薄)。

重要提示:注意对于薄壁，你只能指定一个恒定的导热系数。如果你想对非零厚度的壁面使用非常数的导热系数，你应该使用“shell conduction”模型。

02 shell conduction

若要为壁面启用shell conduction，请在“壁面边界条件”对话框中启用shell conduction选项。然后你可以点击编辑…按钮打开shell conduction对话框，在这里可以定义Shell的单个或多个层的属性。注意，必须为shell的每一层指定非零壁厚。当壳层进行传导时，ANSYS Fluent不仅要计算法向(求解能量方程时总是要计算法向)壁面的导热，而且要计算平面的导热。当能量方程的解被激活时(除了映射交界面)，shell conduction选项将出现在墙对话框中。ANSYS Fluent的shell conduction可串行或并行读取。
     

重要提示:注意shell conduction模型有几个限制:

• 它不能应用于非共形的交界面，包括“map interface；
• 它不能应用于移动的壁面区域；
• 它不能用于FMG初始化；
• 当壁面被设置成通过系统耦合接收热数据时，shell conduction不可用；
• 它只在三维状态下可用；
• 只有在使用压力基求解器时，它才可用；
• shells不能拆分或合并。如果需要拆分或合并shell，请关闭壁面的shell conduction选项，执行拆分或合并操作，然后为新的壁面区域启用shell conduction；
• shell conduction模型不能用于自适应的壁面区域；
• 壳体末端的通量不包括在热平衡报告中。这些通量在ANSYS Fluent求解中得到了正确的计算，而在通量报告中却没有得到正确的计算；
• 不支持shell conduction的壁面与非共形耦合壁面的连接。这样的接点不会有热连接，即壳体与交界面网格之间不会有传热；
• 用shell cinduction模型运行并行求解，注意耦合壁面被封装。如果您在网格划分中遇到了问题，您可以尝试更改封装方法，看看是否能够解决问题。

总结

• wall thickness只计算法向的热传导，而shell conduction计算三个方向的热传导；
• wall thickness的导热系数必须是常数，而shell conduction 的导热系数可以是非常数；
• wall thickness只能设置单层，而shell conduction可以设置多层。 所以我们可以根据自己所研究问题对照这二者的区别来进行选择。

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