【读MFiX源代码】MFiX中四种传热方式全面详解（对流、导热、辐射、反应热）并且输出以供后处理（待完善）

1 目标

分别输出mfix-dem中的颗粒的1.总传热量、2.导热传热量、3.对流传热量、4.辐射传热量和5.化学反应传热量

一共五项，存储到des_usr_var的第1到第6个数组中（后面会看到，导热分为两种：颗粒颗粒以及颗粒墙壁）。

关于des_usr_var的用法见前面的博文。

前面博文的地址：

https://blog.csdn.net/weixin_43940314/article/details/108138825

2 代码结构

首先搞清楚计算传热的大致代码结构。

计算传热方面有两条路径：隐式耦合和显式耦合。两者耦合方式我现在还没有完全弄明白，但是大概知道几点：

1. 这里的耦合指的是气体和颗粒之间的耦合。
2. 隐式耦合在每个固体时间步都进行传热量的耦合。但是显式耦合只在流体时间步和颗粒时间步的开始进行传热耦合。
3. 尽管user guide上面说有传热传质和反应的模拟无法使用显式耦合，但是这个说法显然过时了。在目前的版本里是可以用的。

显然隐式的计算量要大很多，但是计算会更加精准，而且按理来说应该更容易收敛（因为传热传质每次加入的源项小了）。

调用关系图我放在附录了，可以先去瞟一眼有个大致印象。（不一定准确，是我自己debug一步步画出来的）

隐式和显式耦合计算四种传热方式的代码都是一致的。但是调用关系和路径不一样。

计算四种传热量隐式耦合的路径更加清晰简单，我们就以隐式为例子。（虽然我实际计算用的显式耦合，但是我目前显式耦合的路径还没研究透彻，以后待完善）

以下要用到这几个源文件：

1. des_time_march.f(整体控制)
2. calc_thermo_des.f（整体控制）
3. des_thermo_newvalues.f（总热源项置0）
4. des_thermo_conv.f（对流相关）
5. des_thermo_rad.f（辐射相关）
6. rxns_gs_des1.f（反应热相关）
7. des_thermo_cond_mod.f（导热相关）
8. calc_force_dem.f（导热相关，颗粒之间导热）
9. calc_collision_wall_mod.f（导热相关，颗粒-墙壁导热）

为了结构清楚，我们按照调用路径来讲解。

（下面我们主要指的都是函数或者子程序）

最外层:run_dem中调用des_time_step。这里就不多说了。

2.1 des_time_step外层总控制

次外层：des_time_step

位置des_time_march.f

关注des_time_march中的174行（颗粒颗粒导热）、178行（颗粒墙壁导热）、183行calc_thermo_des（除了导热外其他传热方式的总控制）和193行des_thermo_newvalues（把总热源项置零）

2.2 颗粒导热

导热是比较特殊的，因为它只有当颗粒相接触或者很近的时候才发生。因此把它写在了碰撞里。

分为两种：颗粒颗粒导热和颗粒墙壁导热

2.2.1 颗粒-颗粒导热：calc_force_dem.f和des_thermo_cond_mod.f

calc_force_dem.f第165-175行

QQ_TMP是存储导热量的临时变量

des_conduction是定义在 module des_thermo_cond的一个函数

进入des_thermo_cond函数，位置在des_thermo_cond_mod.f第41行

Fortran中的函数，传出的变量默认是与函数同名的变量，因此直接看DES_CONDUCTION这个变量的赋值语句部分，在199行

就是颗粒颗粒直接传热加上颗粒-流体-颗粒传热。具体传热机制请看Musser的博士论文。

根据函数头给定的信息，把形参和实参对照，可以发现实参变量LL就是颗粒I的编号，I就是颗粒J的编号。sqrt(DIST_MAG)是颗粒中心距离，PIJK(LL,5)是颗粒的相，PIJK(LL，4)是颗粒所在流体网格编号。

因此LL应该就是当前的颗粒，而I是LL的相邻的一个颗粒。假定方向为：热量从I传递给LL(可以为负号)。

注：

165-175这一段是在两个嵌套的循环内的


do_index就是颗粒的编号NP，只不过是当地变量。start_index和end_index分别是1和最后一个颗粒编号
CC就是邻域颗粒的编号。内层循环就是在邻域颗粒内循环。

2.2.2 颗粒-墙壁导热：calc_collision_wall_mod.f和des_thermo_cond_mod.f

calc_collision_wall_mod.f中

934-936行调用DES_conduction_wall函数计算导热量。这个函数同样在des_thermo_cond_mod.f里

939行把墙壁颗粒导热加入到Q_Source

2.3 除导热外其他三种传热的控制：calc_thermo_des

在calc_thermo_des.f文件的第50-64行

这段翻译一下就是

首先看是不是显式耦合的，如果是显式耦合，直接把传热量加进热源项Q_source之中

如果不是显式耦合，分别调用三个子程序计算对流传热、辐射传热和反应传热

于是我们分别看这三个调用的子程序。

2.3.1 CONV_GS_DES1 对流传热量

位置：des_thermo_conv.f

模块名：RXNS_GS_DES1_MOD

看69-88行

和之前的逻辑一样，也是个IF结构

如果是显式耦合，直接把对流传热量给到CONV_QS这个变量中

如果是隐式耦合，给到Qcv这个变量（这是个当地变量，出了子程序就会消失），然后再加和到热源项中

2.3.2 DES_RADIATION计算辐射量

位置：des_thermo_rad.f

模块名：des_radiation_mod

看67-94行

有点儿长，前面是具体的怎么计算的，着重看最后一个IF ELSE语句，也就是87-91行

MPPIC的话就多乘以一个颗粒统计重量（就是一个颗粒团中有几个实际颗粒）

不是PIC的话就直接加上辐射传热量Q_rad

2.3.3 RXNS_GS_DES1计算反应传热

在RXNS_GS_DES1.f的第188行，调用子程序calc_rrates_des

跳转到calc_rrates_des.f以后，找到第222行-227行，这一行是存储反应传热量的（这几行往上是计算反应传热的，这里为了简略没给出），变量为lQSource。

如果是显式耦合，把反应热赋值给RXNS_QS这个数组

如果是隐式耦合，把反应热直接加进Q_source

这里也就解释了为什么之前calc_thermo_des只有显示耦合把RXNS_QS加进去了。因为隐式耦合在这里就已经把反应热加入源项了。

2.4 总热源项置零：des_thermo_newvalues

这个文件在之前的关于des_usr_var的博客https://blog.csdn.net/weixin_43940314/article/details/108138825 中已经说过了，就是更新颗粒的温度、热源项等等热力学相关量的。和cfnewvalues类似。

这里再复述一下关键行

看第67行，这里是把热源项置为0，意思是开始新一轮计算前先情况变量。所以可以认为到此为止所有的传热量都被加进到了热源项了。这一行之前的Q_source就是总的热源项。

2.5 显式耦合计算传热方式（待完善）

显式耦合的路径只有每个流体时间步才计算一次热源项。

目前了解的有这么几种：

导热：和隐式完全一样，在des_time_step中（也就是每个固体时间步）调用碰撞的时候计算导热。

对流：在DES_TIME_INIT，也就是固体时间步循环的开始，流体时间步刚结束之后。在des_time_march.f的115行

反应热：在流体时间步（run_fluid），计算反应的同时调用了计算反应热的子程序。具体关系看调用关系图。中间隔了好几层有些复杂。

3 修改代码以输出传热量

注：修改源代码前先把源代码复制到自己的文件夹下。

因为导热有两种，所以一个六个变量

编号	传热方式	原本存储的变量	我们存储的变量
1	总传热量	Q_Source	des_usr_var(1,:)
2	颗粒颗粒导热	DES_CONDUCTION/QQ_TMP(本地)	des_usr_var(2,:)
3	颗粒墙壁导热	DES_Qw_cond（共享）/DES_CONDUCTION_WALL(共享)/QSWALL(本地)	des_usr_var(3,:)
4	对流传热	CONV_Qs	des_usr_var(4,:)
5	辐射传热	Qrad	des_usr_var(5,:)
6	反应热	RXNS_Qs	des_usr_var(6,:)

注：斜线后面标注的是本地变量，前面是共享变量（封装在module里）。加粗的是我实际使用的变量。

我们既可以把本地变量存储起来，也可以存储共享变量。不过共享变量有可能在后面某些地方会被改变，而我们不知道在哪，所以无法确定是否就真的是这个值。本地变量还有一个好处，就是不用关心它是显式还是隐式的路径，只要在实际计算的地方添加就行了。

注：添加的位置请看图中行号和上下文。

注：有些代码前面直接整个USE discretelement了，所以不用再单独添加 USE discretelement, only: des_usr_var。如果没有的话要加上。

3.1 总传热量

之前的那篇博客已经说过，这里再重复一下

1. 在des_thermo_newvalues.f implicit none语句前添加

  !######CL_200914#######
  USE discretelement, only: des_usr_var
  !######################

如图

2. 同一个源文件，在Q_source(:)=0前添加

         !#########CL_200912##############
         des_usr_var(1,:)=Q_source(:)
         !################################

如图
68行（大概）后

3.2 颗粒颗粒导热量

实际上还可以细分成颗粒颗粒直接导热和颗粒-流体-颗粒的间接导热，这里就合在一起了。

在calc_force_dem.f添加

              !#######CL_200912#########
              des_usr_var(2,LL)=QQ_TMP;
              !#######################

位置如图

170行后

3.3 颗粒墙壁导热量

在calc_collision_wall_mod.f添加

               !########CL_200914############
               des_usr_var(3,LL)=QSWALL
               !#############################

如图
937行后

3.4 对流传热量和反应传热量（显式）

这里有些许的不同，显式和隐式必须分开。因为即使是本地变量的存储方式也不一样。隐式的直接就在计算的位置加入到热源项里面了（所以他才只需要call子程序就行了）。

我们的算例是显式的。先添加显式。隐式有机会再测试。

在calc_thermo_des.f

  !###########CL_200912###########
     des_usr_var(4,:)=CONV_Qs
     des_usr_var(5,:)=RXNS_Qs
  !############################### 

65行后

3.5 辐射传热

辐射略有不同，显式的我没搞清楚他在哪里调用的des_conduction（或许显式压根就没算辐射？以后再研究），隐式的在前面那张图里调用了。但是不管显式还是隐式，直接存本地变量应该都没问题。

在des_thermo_rad.f

           !#########CL_200912#########
              des_usr_var(6,NP)=Qrad
           !###########################

91行后

2020-9-15补充
没有输出辐射传热，可能是mfix bug显式没有调用计算传热的代码？

由于没有发现显式耦合中调用了计算辐射的子程序，所以和朋友讨论以后决定自己调用一下

在calc_thermo_des.f中加入

 !#########CL_200915##############
 IF(any(CALC_RADT_DES)) CALL DES_RADIATION
 !#######################

如图

代码是模仿下面那一行隐式调用的。至于为什么不模仿显式调用呢？因为des_thermo_rad里面不管显式还是隐式都把辐射加入到源项了（如下图），所以只要调用，就自动加入源项。

之前des_usr_var(6,NP)那一行还是不变。这样把本地变量Qrad存储进来。

4 算例验证

4.1 算例要求

1. 打开传热传质和化学反应
2. 打开des_usr_var并给出数组上限（在这里是6）
3. 如果考察墙壁导热，应该设置墙壁BC（这里给确定温度）。

一般来说我们不单独设置墙壁BC的话，默认会设置为绝热的无滑移边界，这样就不会产生任何热量交换也就看不见墙壁导热了。

4.2 结果展示（待更正）

4.2.1 总源项 des_usr_var 1

4.2.2 颗粒颗粒导热 des_usr_var 2

4.2.3 颗粒墙壁导热 des_usr_var 3

由于一开始设置算例没有设置墙壁BC，导致默认是绝热壁，因此没有值。
2020-9-15已更新，可以看到贴壁的颗粒是有传热量的。

4.2.4 对流 des_usr_var 4

4.2.5 反应热 des_usr_var 5

4.2.6 辐射des_usr_var 6（待更新）

结果验证中…

附录： 子程序调用关系图（显式待完善）