热工学实验报告
学号：310801010228 姓名： 周建伟 班级： 安全08-02班 实验时间： 实验题目：一维稳态导热的数值模拟 一、实验目的
1、初步了解并掌握Fluent求解问题的一般过程，主要包括前处理、计算、后处理三个部分。
2、理解计算机求解问题的原理，即通过对系统进行离散化，从而求解代数方程组，求得整个系统区域的场分布。
3、模拟系统总的传热量并与傅立叶导热定律的求解结果相比较，验证数值模拟的可靠性。
二、实验仪器、设备
1、软件：Fluent软件
Fluent程序软件包由以下几个部分组成：
(1)GAMBIT——用于建立几何结构和网格的生成。 (2)Fluent——用于进行流动模拟计算的求解器。 (3)prePDF——用于模拟PDF燃烧过程。
(4)TGrid——用于从现有的边界网格生成体网格。
(5)Filters(Translators)—转换其他程序生成的网格，用于FLUENT计算。 可以接口的程序包括：ANSYS，I-DEAS，NASTRAN，PATRAN等。 2、硬件：计算机
三、实验原理及方法
y th x tc
图1-1 导热计算区域示意图
如图1-1所示，平板的长宽度远远大于它的厚度，平板的上部保持高温th，平板的下部保持低温tc。平板的长高比为30，可作为一维问题进行处理。需要求解平板内的温度分布以及整个稳态传热过程的传热量。
四、实验预习及注意事项
实验前注意预习对流数值求解方法，并对采用相似原理进行数值模拟的方法进行初步的思考。
（1）建立文件时（即ID），以自己的姓名全拼+数值来命名，如姓名为“张三”，则文件名（ID）分别为“zhangsan01”、 “zhangsan02”、 “zhangsan03”等等。 （2）注意对实验结果进行定期的保存，防止因网络中断而导致数据或结果丢失。
（3）关闭前处理软件Gambit时，不能象Windows下的普通程序一样关闭，而应采取退出的方式关闭，即File→Exit。 （4）当Gambit或Fluent不能正常运行时，注意看计算机系统时间是否设置正确，仍然出错时，可将C:\\Fluent.Inc\\ntbin\\ntx86文件夹中的default_id.lok文件删除。
五、实验步骤
1. 利用Gambit对计算区域离散化和指定边界条件类型 步骤1：启动Gambit软件并建立新文件
步骤2：创建几何图形，在Width内输入30，在Height中输入1，选择+X+Y 步骤3：网格划分：（1）边的网格划分：在Edges后面的黄色对话框中选中edge.1和edge.3。然后在Spacing中选择Interval count，在其左边的对话框中输入100，即将这两个边各划分成100个等份。最后点击Apply确认，采用同样的方法对面的其它边进行网格划分，设定edge.2和edge.4的Spacing对应的数值为10。（2）面的网格划分：选择Operation
→Mesh
→Face
，在Faces后面的黄色框
中选中face.1，对话框中的其它选项均保持默认值，此时Spacing的类型为Interval size，它左边的默认值为1。点击Apply
步骤4：边界条件类型的指定：选择Solve→Fluent5/6，选择Operation
→Zone
，首先指定面的上边为热源，将下边定义成冷源cold。左
右两条边可以不需要定义，保持Gambit默认即可。
步骤5：指定计算区域的类型：设置Gambit的计算区域的类型为固体。
步骤6：网格文件的输出：选择File→Export→Mesh打开输出文件的对话框，点击Accept。
2. 利用Fluent求解器进行求解 步骤1：网格文件的读入、检查及显示（1）网格文件的读入：选择File→Read→Case在C:\\Fluent.Inc\\ntbin\\ntx86下找到onedim.msh文件并将其读入。（2）检查网格文件：选择Grid→Check对网格文件进行检查，这里要注意最小的网格体积（minimum volume）值一定要大于0。（3）显示网格：选择Display→Grid，出现网格显示对话框。 步骤2：选择计算模型
步骤3：定义固体的物理性质，选择Define→Materials, 在Material Type选项中选择solid，Fluent默认的固体材料为铝aluminum，我们假定平板的材料为铝，材料的属性取默认值，点击Change/Create按钮，再点击Close即可。
步骤4：设置边界条件，选择Define→Boundary Conditions，对计算区域的边界条件进行具体设置。对热源heat的边界类型wall点击set，将默认的Thermal Condition下的heat Flux改为第一类边界条件Temperature，在Temperature右边的白色文本框内输入310。用同样的方法对冷源进行设置，其温度为300。即热源和冷源的温度差为10K。
步骤5：求解设置（1）初始化选择Solve→Initialize→Initialize，依次点击Init、Apply和Close按钮。（2）残差设置选择Solve→Monitors→Residual，选择Options下面的Plot复选项，则可在计算时动态地显示计算残差。并将energy右边的残差设定为1e-08，然后点击OK按钮。（3）迭代计算选择Solve→Iterate，设置Number of Iterations 为200，然后单击Iterate按钮。
步骤6：保存结果，选择File→Write→Case & Data，保存所有的设置和数据。
六、实验结果及分析
实验一结果及分析：（1）实验得到的平板内的等温线分布图可以看到，等温线在平板内部为水平分层，等温线均与壁面平行。符合一维导热定律的理论结果。（2）实验得到温度梯度的最小值为9.998277，最大值为10.0016，即温度梯度的值为10，与理论结果完全一致。（3）实验得到平板的总热流量为60726.6W。根据傅立叶导热定律计算的理论结果为60720W，相对误差为0.01%，表明结果正确。 实验二结果及分析：根据傅立叶导热定律，热流与等温线正交，可得到如图所示的温度分布云图。由于左侧及右侧为热源，下侧为冷源，且左侧温度高于右侧，热量传递方向为由左到右，由左到下。 实验三结果及分析：1、如图所示、实验可得流场分布，包括流场的标量图和矢量
图， 2、如图所示，实验可得方腔内温度分布图 3、实验得到热源的Nusselt数为2.258573。与国际期刊论文的值2.245差别很小，相对误差为0.6%。