穿越埃及的旅程 SOLIDWORKS Flow Simulation 中的辐射函数

文章来源：solidworks代理商-卓盛信息

许多人梦想去埃及旅游，参观许多令人惊叹的旅游景点，这些景点之间可能相距数十公里。在这种情况下，问题就来了：你应该使用什么交通工具？许多人决定乘坐私家车旅行或乘船沿着尼罗河航行。本文还将考虑另一种选择。这就是巴士旅行。

这里出现了一个基本问题：选择哪辆巴士才能保证车内条件舒适？巴士的颜色重要吗？油漆的质量会影响车内的温度吗？我将尝试在下面的文字中回答这个问题。

SOLIDWORKS Flow Simulation – 汽车的颜色很重要

数值流体力学中处理的一个常见问题是通常理解的传热。热传递的一种类型是辐射。由于这种现象对最终热平衡的影响较小，因此在模拟中通常会忽略这种现象。然而，它对于太阳辐射很重要。因此，我想重点介绍一下该功能在 SOLIDWORKS Flow Simulation 中的工作原理。

但首先我们需要告诉您 SOLIDWORKS Flow Simulation 是什么。它是一个用于解决与数值流体动力学相关问题的程序。该软件允许在设计阶段验证结构。其最重要的任务是确定最佳解决方案并将设计周期显着缩短到最低限度。

现在，回到正题 - 在考虑暴露于自然环境的结构上的传热时，我们希望确保正确考虑太阳辐射，不仅在典型的一天中，而且在不同日期的一天中的不同时间那一年。SOLIDWORKS Flow Simulation 使这一切变得简单。

使用项目向导设置研究时，您可以启用辐射属性下的“太阳辐射”选项。通过选择此选项，它可以扩展物理特性列表以适应太阳能配置。

图1项目向导设置

要告诉 SOLIDOWRKS Flow Simulation 太阳在天空中的位置，您必须输入您的纬度和北向。为了使这更容易，该程序包含一个工程数据库，其中包括十几个预定义的位置来帮助完成此操作。此外，用户可以定义云量和海拔高度。由于本次作品的主题是埃及使用的公交车，所以我决定选择开罗这个城市。然后我选择一天中的时间和一年中的时间来精确设置辐射源的天顶。上班的时候，选择了1月31日中午12点。而且，我决定太阳的温度将达到33摄氏度。

下一步是选择模拟类型。我决定使用默认初始条件运行外部模拟。我选择黑体作为默认的墙质量。与此选项的选择相关的功能被分配给所有永久对象（在项目后期，这些属性针对各个墙壁进行了更改）。然后我决定在默认初始条件下运行模拟，即环境温度为 20.05 摄氏度。以这种方式定义初始条件后，我收到了下图，显示了太阳的光线。

图2太阳辐射计算域

然后我选择了模拟涉及的材料。由于总线由外层和内层组成，因此必须采用两种不同类型的材料。一开始我就决定外层由钢制成，内层由 ABS 聚合物制成。此外，我为窗户分配了玻璃材料，为座椅分配了塑料材料。然后我告诉SOLIDWORKS如何处理这些对象以及它们是否应该透明。用于选择这些选项的选项在负责将材料分配给实体的窗口中可用。

图3设置墙壁透明度

下一步是将物理属性分配给各个墙壁。因此，使用了从主导航树扩展的“辐射表面”选项。

图4选择表面颜色

这些选项向程序通报墙壁的质量。这是包含有关墙壁颜色的信息的地方。即，我们讨论的是吸收系数和发射系数。这些系数决定了物体加热到的温度。选择这些选项时，用户可以访问广泛的数据库，该数据库可以使用您自己的材料进行扩展。得益于此解决方案，用户可以完全自由地决定其表面的外观。

太阳吸收系数的值在0-1范围内，其中0是完全白体，1是完全黑体。这同样适用于反射率，它的值也在 0-1 范围内，不同之处在于，0 被假定为完全黑体，而值 1 被分配给完全白体。

图 5包含发射率系数和太阳吸收系数信息的数据库

在此模拟中，我决定使用各个墙壁的实际属性。为此，我决定使用抛光不锈钢。

分配这些选项后，我决定向总线内部添加边界条件。我决定在那里增加通风，其运行温度为 20 摄氏度。为此，您必须从设置树中选择适当的图标。

图6设置边界条件

然后，您需要选择一面能够在测试设施中实现特定功能的墙。在这种情况下，选择了一堵墙来负责提供冷空气。）。选择适当的几何图形后，您需要在那里设置条件。在该模拟中，空气的供应速度为 0.15 m/s，温度为 20 摄氏度。

图7通风口墙体的选择

然后我在公共汽车的车顶上打了几个洞，并为其分配了大气压力。

图8设置边界条件

对于以这种方式创建的条件，必须添加计算目标，以便程序知道哪些参数在此模拟中很重要，并知道何时停止执行计算。为此，决定当确定车内固体和空气的温度时，程序应停止执行计算。此外，还决定跟踪与辐射通量相关的所有参数的变化。以这种方式设置选项后，进行计算并对得到的结果进行分析。

图9计算目标

对第一个结果的分析

SOLIDWORKS Flow Simulation 与其他程序的区别在于呈现结果的可能性非常广泛。它非常直观且简单。这使用户能够轻松获得做出技术决策所需的洞察力。

第一个选项是创建剖面图。它允许您在任何地方查看模型的横截面并选择各种特征，例如温度和压力。您可以动态地将剖面图传输到系统并查看特定区域的结果。如下图所示，公交车内温度约为27度。最热的元件是位于驾驶员旁边的控制面板（红色元件）。

图10车内温度

图11车内温度

然后我决定展示一个曲面图，让我展示在特定物体上获得的结果。这种方法允许您在测试对象上获得清晰的结果分布。多亏了这个，我可以想象公交车本身会加热到的温度。结果如下。

图 12母线壁上的温度

如上图所示，挡风玻璃及其上方的板温度最高。它们的温度将达到 68 摄氏度！那么问题来了：公交车上的椅子本身会加热到什么温度？幸运的是，它们会加热到低得多的温度，最高温度约为 35 摄氏度。正如您所看到的，在太阳的这个位置上，前排座椅的温度最高，因为它们是太阳辐射直接到达的地方。

图 13座椅温度

在分析了获得的温度后，我决定想象太阳光线主要到达的地方。

图 14公交车地板上阳光的可视化

正如您所看到的，大部分阳光都会照射到公交车的前排座位上。这个信息很好地解释了为什么前排座椅会比后排座椅更热。

此外，可以通过绘制离开空调的气流轨迹来观察传热过程。借助此工具，您可以获得对流体流动的令人难以置信的洞察力，并且可以看到比真实实验更多的内容。如下图所示，位于公交车中央部分的座位是最凉爽的。

图15离开空调的气流轨迹

钢材是最好的选择吗？

收到上述结果后，我想知道不同材料的选择会对最终结果产生怎样的影响。因此，我决定改变吸收系数并进行一些额外的模拟。在 SOLIDWORKS Flow Simulation 中执行此类步骤非常简单且直观。该程序允许您复制配置并使用其他选定的选项创建模拟。为此，只需复制模拟并更改适当的设置即可。然后，该程序允许您自动比较结果。

图16模拟配置选择

一开始就决定公交车是白色的，即太阳能吸收系数为0.3。考虑的下一个案例是吸收系数为 0.6 的灰色公交车。考虑的倒数第二个示例是吸收系数为 0.7 的红色巴士。以上所有型号均采用抛光不锈钢制成。最后考虑的情况是使用具有更高耐候性的钢，其排放因子为 0.85，而不是抛光不锈钢的 0.074。

最大值的比较如下表所示：

表1公交车内最高和最低温度对比

如您所见，最低的最高温度将出现在第一种情况下。下图也显示了这一点，其中“冷色”占主导地位。漆成红色并由抛光钢制成的公共汽车温度最高。

图17母线壁温度对比

椅子本身也存在温度差异，其余情况下的温度明显更高。

图18公交车座椅加热对比

正如您所看到的，红色和灰色的抛光钢获得了最差的结果。

进行上述分析后，决定进行时间分析，检查公交车以及车内座椅在两小时内的升温情况。

公交车加热模拟

公交车加热模拟

模拟椅子加热

模拟椅子加热

正如您在上面的动画中看到的那样，太阳改变了位置，导致公交车各个部分的温度发生变化。正如人们所预料的那样，受到阳光直射的元件温度会最高。如您所见，SOLIDWORKS Flow Simulation 程序允许您预测随时间推移发生的现象。

决定测试的另一个方面是公交车以 60 公里/小时的速度向前行驶时的温度变化。

图 19行驶中的公交车内的温度

上图显示了公交车内的温度。它明显低于公交车静止时的情况。目前，公交车内气温约为21摄氏度。即使在埃及等炎热的地方，这些条件也适合旅行。

同时，图中显示了气流线。有些人可能会对巴士车顶上的漩涡感到困惑。正如预期的那样，水流分离和漩涡的形成应该发生在屋顶的边缘，而不是在其中心。然而，这并不是一个错误，因为屋顶上有一个凹槽，它是涡流的来源。因此，得到的结果是正确的。

如上图所示，初始条件对于进行模拟极其重要。物体是否运动的信息会显着影响结果。下图也证实了这一点，该图显示了车辆本身的温度。公交车上最热的部分是挡风玻璃，但现在只加热到37摄氏度。

图 20行驶中的公交车的墙壁温度

结论

从上述考虑可以看出，使用原始抛光不锈钢获得了最佳效果。为了获得更好的结果，我建议使用具有更高耐候性的钢材。而且，这种钢材的颜色应该是浅色的。选择这些参数后，应该会获得更有趣的结果。

此外，一个非常重要的条件是模拟是在时间步长还是在稳态下进行的信息。正如您所看到的，使用时间插头进行模拟可以让您直观地看到太阳将如何相对于被检查的物体移动。这种现象明显影响传热的最终结果。因此，为了彻底了解总线内部元件将加热到的温度，有必要使用具有时间步长的模拟。

正如您所看到的，SolidWorks Flow Simulation 后处理的功能广泛、强大且使用起来非常直观。凭借直观且强大的流体流动和传热功能，SolidWorks Flow Simulation 使任何产品工程师都能够执行并发 CFD 仿真，并在质量和性能方面实现最佳设计。

一如以往，谢谢阅读，快乐阳光！——SOLIDWORKS代理商（SOLIDWORKS 2024）