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一、对流传热简介

热对流是指由于宏观的流体运动使不同的流体相对位移产生的热量传递现象。一般情况下，由于粘性作用，贴近壁面的流体是静止的，这里的热量传递只能以热传导的形式进行。离开物体表面，流体有流动，热对流开始发挥作用，所以流体与固体表面之间的热量传递是热对流和热传导两种方式共同作用的结果，这种传热现象也被称为对流换热。生活中常见的单相流体对流换热有强迫对流换热和自然对流换热。强迫对流换热指流体外部动力作用下产生的流动。自然对流换热是指流体在不均匀的体积力的作用下产生的流动，最常见的就是重力场引起的对流换热。一般地说，自然对流的流速都比较低，因此换热效果要弱一些。[1]

那如何进行对流换热仿真呢，本文介绍两种Simdroid软件里可以实现的对流仿真方法，一种是直接使用理想气体模型，另一种是使用Boussinesq近似方法。

二、模型

本文中所举的仿真案例模型如图所示，在一个封闭的长方形空腔内，充满空气介质，空腔上下壁面绝热，左右两个壁面存在小温差。

以下分别是理想气体和Boussinesq近似方法的浮力计算方法：

动量方程：

理想气体模型浮力公式：

Boussinesq近似方法浮力公式：

在Boussinesq近似认为流体密度变化非常小，引入膨胀系数 计算浮力，消除动量方程中的密度变化，提高计算稳定性与计算速度。Boussinesq近似方法需要指定如下数值，这个方法的适用范围是高温壁面和低温壁面的温差较小的情况。

有研究表明，对于无量纲温差≤0.1时，采用Boussinesq近似方法能够很好的计算封闭腔内的自然对流问题，随着温差增大，得到的结果误差越大[2]。

优势：Boussinesq近似方法不需要求解动量方程中的的密度项，使得计算更快速。

以下是两种对流仿真方法中介质参数的设置方式：

由于这种自然对流是由重力驱动的，因此在分析设置时需要打开重力项，重力加速度在“操作条件”中设置，这里要注意负号代表方向，不要忽略。

三、结果对比

曲线对比

使用沿线曲线对比两种模型计算结果，取点（0，0，0）与点（20 ，100，0）之间的数值。

云图对比

对比数据可知两种模型的计算结果几乎相同。

[1]张学学.热工基础[M].北京：高等教育出版社.2000：167

[2]Sen S , Sarkar A . Effects of variable property and surface radiation on laminar natural convection in a square enclosure[J]. International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 1995, 5(7):615-627.