STAR-CCM+：灰体热辐射仿真案例

时间：2024-10-27 16:56:51

灰体热辐射是以理想黑体热辐射规律为基础的，对实际面热辐射行为的一种粗略的近似。模型描述：在充满空气的矩形腔内放置了两块平行的玻璃板，计算热传导和热辐射过程。

工具/原料

STAR-CCM+ 13.02

模型导入

1、启动STAR-CCM+程序，新建simulation，点击File>Import>Import Volume Mesh，导入help自带的insulator.ccm，保存为thermalInsulator.sim。

2、点击Regions > Default_Solid > Boundaries，右键Default_Boundary_Region，选择Split Non-Contiguous，将玻璃几何分割出四个boundary面，并重命名。此外，将流体域和固体域也分别重命名为Fluid，Solid。

创建Interface

1、同时选中Regions > Fluid > Boundaries > top-solid1和Regions > Solid > Boundaries > top-solid1，右键Create Interface。同理，再分别创建top-solid2，bottom-solid1，bottom-solid2的Interface。

物理模型

1、重命名Physics 1为Air，Physics 2为Glass。

2、点击Continua > Glass > Models > Solid > Al，右键Replace with，选择Glass (Glass Plate)。

边界条件

1、点击Regions > Fluid > Boundaries > collector > Physics Conditions > Thermal Specification，Condition选择Heat Flux。在Physics Values >Heat Flux属性栏，设为1000 W/m2；Surface Emissivity设为1.0。

2、点击Regions > Fluid > Boundaries > side-1 > Physics Values，Surface Emissivity设为0.95。复制side-1的设置，粘贴至side-2，side-3。

3、点击Regions > Fluid > Boundaries > top > Physics Conditions > Thermal Specification，Condition选择Temperature。在Physics Values > Static Temperature属性栏，设为300 K；Surface Emissivity设为0.8，Surface Transmissivity设为0.15。

4、点击Regions > Fluid > Boundaries > bottom-solid1 [Interface 3]> Physics Values，Surface Emissivity设为0.775。同理，bottom-solid2 [Interface 4]的Surface Emissivity设为0.725；top-solid1 [Interface 1]的Surface Emissivity设为0.8；top-solid2 [Interface 2]的Surface Emissivity设为0.75。

5、Solid的Interface采用与Fluid相同的设置，直接复制Fluid下Interface属性粘贴至Solid下。

6、点击Regions > Solid > Boundaries > side-solid1，选择Heat Flux边界，设为-62.5 W/m2；Surface Reflectivity设为1.0。复制side-solid1的设置，粘贴至side-solid2。

7、点击Interfaces > Interface 1 > Physics Values > Surface Transmissivity，设为0.15。同理，Interface 2，设为0.15；Interface 3和Interface4，都设为0.175。

求解设置

1、本例只求解温度场，需要将流动求解冻结。点击Solvers > Segregated Flow，勾选Freeze Flow。

2、点击Solvers > Segregated Energy，设置松弛因子，Fluid Under-Relaxation Factor设为0.55，Solid Under-Relaxation Factor默认。

3、点击Stopping Criteria > Maximum Steps，设为500。

4、点击Stopping Criteria，右键New Monitor Criterion > From Monitor，选择Energy，将Minimum Limit设为1.0E-6。

后处理显示

1、创建监控截面。点击Derived Parts，右键New Part > Section > Plane，Input Parts选择[Fluid, Solid]，Origin和Normal向量默认，勾选Existing Displayer，点击Create。

2、创建Scalar Scene监控温度。点击Scalar Scene 1 > Displayers > Scalar 1 > Parts，选择top，bottom-solid1 [Interface3]，top-solid2 [Interface2]，collector，plane section。Function选择Temperature；Contour Style选择Smooth Filled；Color Bar，将Title Height设为0.04，Label Height设为0.035。

3、监控玻璃片界面处的热辐射量。右键Reports选择New Report>Surface Average，重命名为Irradiation1，Parts选择Regions > Fluid > Boundaries > bottom-solid1 [Interface 3]，Field Function选择Boundary Irradiation。右键Create Monitor and Plot from Report。

4、监测空气top面的热流密度。新建Surface Average，重命名为HeatFlux1，Parts选择Regions > Fluid > Boundaries > top，Field Function选择Boundary Heat Flux。右键Create Monitor and Plot from Report。

5、监控空气和玻璃的最高温度。新建Maximum，重命名为MaxTempFluid1，Parts选择Fluid，Field Function选择Temperature。复制MaxTempFluid1，重命名为MaxTempSolid1，Parts选择Solid。同时选中MaxTempFluid1和MaxTempSolid1，右键Create Monitor and Plot from Report，选择Single Plot。