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Fluent User Guide 14.2.2

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1 能量方程的亚松弛

使用压力基求解器时，Fluent会使用在Solution Controls任务页面中定义的Under-Relaxation Factors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Solution Controls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Species Models对话框中的Diffusion Energy Source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Run Calculation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Specify Solid Time Step Size
• 使用 Method下拉列表中的默认 Automatic time step size 由软件计算时间步长大小；或选择User Specified并指定时间步长。

注：通过使用Loosely Coupled Conjugate Heat Transfer选项及Specify Solid Time Step Size选项，可以提高某些共轭传热问题的模拟性能。

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

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Run Calculation任务页中启用CHT松耦合：

1. 激活选项Lossely Coupled Coujugate Heat Transfer，可以在Coupling Basis下拉列表框中选择不同的选项

• 选择Time并设置Time Period，以指定在设定的时间执行耦合计算
• 选择Fluid Time Step并指定Number of Fluid Time Steps，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。

2. 当User-Specified方法被选中后，Specify Solid Time Step Size将自动启用，应确保Time Step Size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 → Model Specific → Explicit Thermal Coupling...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：

1. 在Coupled Wall列表框中选择希望转化为显式时间平均耦合的面
2. 点击按钮Add>将面添加到右侧的列表框中
3. 指定参数 Number of time steps per coupling iteration
4. 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）