辐射换热的热量与参与辐射换热表面的温差、发射率、角系数有关。任何两个表面有温度差时即可发生辐射换热,Icepak中的模型为灰体,其发射率和吸收率相等,表面不透明,透射率为0,且参与辐射换热表面为漫反射表面。单纯的强迫风冷或液冷中,可关闭辐射换热计算,而在混合对流或自然冷却中,辐射换热必须考虑。在Icepak中需要考虑辐射换热的情况有如下几种:
- 模型采用自然冷却的方式,此方式中辐射换热热量占总热量30%左右,此时则需要考虑辐射换热。
- 模型采用混合对流散热时,即模型外部包含强迫风冷或液冷,而模型内部空间是密闭的空间,内部属于自然冷却的方式散热,此时则需要考虑辐射换热。
- 模型的工作环境为外太空或真空环境时,模型周围无空气和重力的影响且热沉很大,不随温度的变化而变化,只能依靠辐射换热和传导进行散热,此时则需要考虑辐射换热。
在Icepak中辐射换热有三种换热模型:a.Surface to Surface(S2S)辐射模型;b.Discrete Ordinates(DO)辐射模型;c.Ray Tracing model光线追踪法。
A.Surface to Surface(S2S)辐射模型
在Icepak中选择Surface to Surface(S2S)辐射模型时,需要打开角系数面板进行设置后,CFD求解计算才考虑辐射换热,打开角系数面板的方法有两种,一种是通过点击【Surface to Surface(S2S)】后的【Options】选项按钮打开,一种是通过工具栏上的Radiation按钮打开。即打开了S2S角度系数计算面板进行角度系数计算,CFD的求解才考虑了辐射换热。
单击鼠标左键从[Include objects]中选中参与辐射换热计算的模型,选中的模型将会出现在[Participating objects]中,然后单击[Compute]计算按钮,即可计算选中的模型的角度系数。计算后的角度系数,可以通过[Export]导出角度系数计算,或通过[Load]或者[Import]按钮, 加载已经计算好的角度系数以便减少计算的时间,如果模型比较复杂则可以选择尺寸较大的模型参与计算,排除不重要的模型对象参与计算,以便减少计算时间。 单击按钮[Modify]可修改面与面之间的角度系数值,在From object中选择一个面,在To object中选择另外一个面,在Value中输入两个面之间的角度系数值,单击[Modify]和[Close]按钮完成两个面之间角系数的修改。
此外,S2S辐射模型不可以用于计算CAD类型的Block、Plate等模型的辐射换热计算。且S2S辐射换热模型的计算精度不如光线追踪法或者DO辐射模型,对于非常复杂的热模型,S2S辐射换热经常需要较长的时间进行角系数计算,所以用的不是很多。
在Display object values 中选择某个模型,将在信息窗口和面板下方显示计算的角系数值。
B.Discrete ordinates radiation model(DO)辐射模型
当需要辐射换热的模型非常复杂,有CAD类型的几何模型或者有高密度的翅片时,选择S2S或光线追踪法计算辐射换热角度系数时需要计算机较大的内存,此时可以选择(DO)辐射模型。
选择DO辐射换热单选按钮后,单击Discrete ordinates radiation model(DO)后的[Options]按钮,即打开[Discrete ordinates parameters]DO辐射模型参数面板,其中Flow iterations per radiation iteration的DO辐射换热计算频率默认值为1,表示每计算一次辐射换热,再进行一次流动迭代计算,增大此值可加速计算求解,但减缓耦合求解的过程。
Theta divisions 和Phi divisions定义每个45°角空间离散时,控制角的个数,模型中如果有曲面、小尺寸几何体时,可增大两个选项的值为3,两个数值越大,则对角空间离散越细,可更好的捕捉较小的几何尺寸或者形状变化比较大几何的温度梯度,此时计算的时间较长。
对于模型中含对称Wall、周期性边界条件或者半透明物体表面,Theta pixels 和Phi pixels数值设置为3,对于灰体辐射,数值设置为1即可,如果将Theta divisions 和Phi divisions以及Theta pixels 和Phi pixels都设置为1,则辐射换热计算精度不高且比较粗糙。如果都设置为3,可提高辐射换热的计算精度。
如果选择了DO辐射模型,在单击快捷工具栏上的计算角度系数按钮,则会弹出如下图不能进行角度系数计算的信息。
当选择了DO辐射模型,则在残差面板上增加一条青色的用于计算DO辐射换热的残差数值曲线。
C.Ray tracing radiation model 光线追踪法辐射模型
在Basic parameters参数面板中,在Radiation辐射面板选择Ray tracing radiation model光线追踪法计算辐射换热,选择后面的Options选项打开Ray tracing parameters光线追踪法参数面板,如下图:
Flow iterations per radiation iteration:辐射换热计算频率默认值为1,Maximum radiation iteration辐射换热迭代计算的最大次数。Faces per surface cluster用于控制辐射换热面的个数,表示每个粒子簇由多少个表面网格来发射,默认值为20,则辐射换热面(发射粒子簇的表面)的个数等于整个模型的表面网格个数除以20,此值增大则参与辐射换热面的个数将被减少,辐射换热计算精度降低,可减少角系数文件的大小及内存的大小。反之,辐射换热面的个数将被增加。
Ray tracing radiation model 光线追踪法适合icepak所有模型,可处理icepak原始几何模型、CAD类型的几何体等辐射换热计算,它比S2S计算精度更高。在计算角系数方面比S2S花费更多的时间,但不支持周期性或对称性的边界条件的辐射换热模型(DO模型则可以)。
D.三种辐射模型的比较和选择
- S2S辐射模型可用于粗略计算,使用DO模型和Ray tracing光线追踪可提高辐射换热的计算精度。
- DO模型和Ray tracing光线追踪可以用于计算CAD类型的Block体、Plate等模型,S2S则不可以。
- S2S和Ray tracing光线追踪在计算较复杂的角度系数辐射换热模型时,需要花费较大内存和较长的计算时间,此时选择DO辐射模型。另外,DO辐射换热模型和Ray tracing光线追踪计算后的温度值以及角系数计算的时间都比较接近,都高于S2S辐射换热模型。