FLUENT計算T型管中的流動與傳熱（微社區已發布）

2016-11-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

ANSYS FLUENT精彩應用

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1 引子

1.1 案例描述

本案例進行T型管中的流動模擬,流體以不同的溫度進入T形管,通過計算模擬混合過程。

1.2 案例學習目標

本案例主要描述FLUENT界面的使用,包括CFD的全部過程,包括:

讀取網格
選擇計算模型
選擇并設置材料屬性
定義邊界條件
設置計算監視器
運行求解器
后處理

2 計算仿真目標

仿真的對象為冷熱水在T型管內的混合過程
計算仿真的目的在于確定:

1.流體混合程度
2.混合過程的壓力降

3 啟動FLUENT并讀入網格

網格文件請在百度云盤下載,鏈接:http://pan.baidu.com/s/1i5hVZs5

本案例利用workbench中的FLUENT模塊,也可以使用獨立版本的FLUENT進行。

1.啟動Workbench,利用菜單Files | Save as…保存新的文件mixing_tee
2.從左側的Component Systems列表中選擇拖拽Fluent至右側項目窗口中
3.右鍵選擇單元格Setup,選擇子菜單Import FLUENT Case | Browse
4.在打開的文件選擇對話框中,修改文件過濾選項為Fluent Mesh File
5.選擇網格文件Mixing_tee.msh,點擊OK按鈕確認選擇
如下圖所示。
6.返回至項目面板,鼠標雙擊Setup單元格啟動FLUENT,如下圖所示,可以根據自身計算機性能選擇串行或并行計算(如下圖所示采用并行4核計算)
7.點擊OK按鈕進入FLUENT工作環境

4 FLUENT工作界面

FLUENT17.0工作界面如圖所示。主要包括5個部分:

1.Ribbon菜單。里面包含了所有的操作按鈕
2.模型樹。包含了CFD仿真流程中所需的所有節點
3.參數設置面板。對應不同的模型樹節點所需的參數設置
4.圖形顯示窗口。
5.TUI及消息輸出窗口

5 網格縮放及檢查

在導入計算網格后,第一步要做的操作是檢查導入的網格有效性及網格質量。

選擇而模型樹節點General
在右側面板中點選按鈕Check,TUI窗口反饋信息如下圖所示。
注意:主要檢查兩個參數:一個是Domain Extents,查看計算域尺寸是否與實際尺寸相符,若不相符則需要對計算域進行縮放;另一個為mimimum volume,必須確保最小體積大于0
2.選擇面板中的Report Quality按鈕,查看網格質量。TUI命令窗口顯示網格質量如下圖所示。

給出了三種網格質量:Minimum Orthogonal Quality、Maximum Ortho Skew 及Maximum Aspect Ratio,其中Minimum Orthogonal Quality的范圍為0-1(1為理想網格),Maximum Ortho Skew的范圍為0-1(0為理想網格),Maximum Aspect Ratio越小越好。

6 修改單位

修改溫度的單位為攝氏度。點擊General設置面板中的Units…按鈕彈出單位設置面板。
如下圖所示,設置temperature的單位為c。

7 設置模型

這里激活能量方程及湍流模型。

雙擊模型樹節點Models > Energy,在彈出的Energy對話框中,勾選Energy Equation前方的復選框,激活能量方程,如下圖所示。點擊OK按鈕確認操作。
雙擊模型樹節點Models > Viscous(Laminar),在彈出的對話框中選擇k-epsilon(2 eqn),Realizable,其他參數保持默認,點擊OK按鈕確認操作。

8 定義新材料

FLUENT默認采用的材料為air,案例中流體介質為液態水。

右鍵點擊模型樹節點Material > Fluid,選擇彈出菜單New,如下圖所示。
在彈出的對話框中,選擇Fluent Database…,彈出材料庫對話框,在材料庫中選擇材料water-liquid(h2o),點擊Copy按鈕,并點擊Close按鈕關閉對話框,如下圖所示。

點擊

Close按鈕關閉材料新建對話框。

9 計算域設置

鼠標雙擊模型樹節點Cell zone Conditions > fluid(fluid),彈出參數設置面板,在參數面板中設置Material Name為上一步創建的材料water-liquid,如下圖所示。
點擊OK按鈕關閉對話框。

10 邊界條件設置

在模型樹節點Boundary Conditions中可以設置計算模型的邊界條件。如圖所示。

FLUENT計算T型管中的流動與傳熱（微社區已發布）fluent培訓的效果圖片13

界面元素與Cell Zone Conditions設置面板類似。

設置邊界條件:

inlet-y邊界設置

在Zone列表框中選擇邊界inlet-y,選擇Type下拉框選項Velocity-inlet,鼠標點擊面板按鈕Edit…
彈出參數設置對話框,如圖所示。在Momentum標簽頁下,設置Velocity Manitude參數值為0.3; 選擇Specification Method為Intensity and Hydraulic Diameter,設置Tubulent Intensity為5,設置Hydraulic Diameter為0.15。
切換至Thermal面板,設置Temperature為15,如圖所示。

inlet-z邊界設置

與inlet-y設置相類似,所不同的是設置Velocity Manitude參數值為0.1;設置Hydraulic Diameter為0.1;設置Temperature為25

outlet邊界設置

選擇Type下拉框選項pressure-outlet,點擊Edit…按鈕
在彈出的對話框Momentum標簽頁下,設置Gauge Pressure為0,設置Specification Method為Intensity and Hydraulic Diameter,設置Backflow Turbulent Intensity為5,設置Backflow Hydraulic Diameter為0.15
切換至Thermal面板,設置Temperature為20。

需要注意的是:在計算的過程中,有可能會出現介質從出口邊界進入流體域的情況(回流),這種情況有可能是真是的流動特征(在計算收斂時仍然存在回流),或者僅僅只是收斂過程中的短暫狀態(隨計算進行回流消失)。不管是何種情況,FLUENT需要知道邊界上的真實來流信息。若在出口位置沒有回流,則這些回流參數值在計算過程中不會被使用。在選擇計算邊界位置時,通常將出口位置選擇在沒有回流的地方。

12 設置離散格式

模型樹節點Solution Methods主要設置模型的離散算法。如圖所示。

選擇Pressure-Velocity Coupling scheme為Coupled
激活選項Pseudo Transient
激活選項Warped-Face Gradient Correction

離散格式定義了梯度及變量插值的計算方法。默認選項適用于大多數的計算問題。

13 Monitors

利用模型樹節點Monitors可以在計算過程中監測一些物理量的變化。本例設置監測兩個入口壓力值及出口溫度標準差。Monitors設置面板如下圖所示。

設置面板中的一些參數:

Residuals,Statistic and Force Monitors:監測殘差、統計值以及各種力
Surface Monitors:監測面上的各種參數值
Volume Monitors:監測體上的各種參數值
Covergence Monitors:收斂監測,通過前面的監測參數來判斷計算是否收斂

本例中監測三個面參數,利用Surface Monitors下方的Create按鈕進行創建。鼠標選擇此按鈕后,如下圖所示。

定義三個Monitors,步驟包括:

點擊Surface Monitors下的Create…按鈕

Name:設置為p-inlet-y
Plot Windws:設置為2
Report Type:設置為Area-Weighted Average
Field Variable:設置為Pressure及Static Pressure
Surface:選擇inlet-y

點擊Surface Monitors下的Create…按鈕

Name:設置為p-inlet-z
Plot Windws:設置為3
Report Type:設置為Area-Weighted Average
Field Variable:設置為Pressure及Static Pressure
Surface:選擇inlet-z

點擊Surface Monitors下的Create…按鈕

Name:設置為t-dev-outlet
Plot Windws:設置為4
Report Type:設置為Standard Deviation
Field Variable:設置為Temperature及Static Temperature
Surface:選擇outlet

14 Initialization

利用模型樹節點Solution Initialization可對計算域進行初始化。FLUENT提供了兩種初始化方法:

Hybird Initialization:通過各種不同的插值方式獲得計算域中的初始值。如利用求解拉普拉斯方程的方式獲取初始速度場與壓力場
Standard Initialization:直接定義各未知物理量的初始值

本案例采用

Hybird Initialization方式進行初始化,如上圖所示,選擇Initialize按鈕進行初始化。此時在圖形窗口中可能會出現如下圖所示的警告信息,不過這僅僅只是提示拉普拉斯方程沒有收斂,大可以忽略。

對于穩態計算,初始值不會影響最終計算結果,但是會影響收斂過程,嚴重偏離實際的初始值可能會導致計算收斂緩慢甚至發散。對于瞬態計算,初始值會影響到后續的計算結果。

15 Run Calculation

選擇模型樹節點Run Calculation,如圖所示。

設置Number of Iterations為350,點擊按鈕Calculate進行迭代計算。

16 Results

計算后處理。

16.1 計算監測圖形

殘差曲線
計算監測得到的殘差曲線如下圖所示。

圖中殘差曲線顯示計算在迭代120步左右達到收斂,表現為殘差曲線降低至設置的殘差標準以下,默認殘差標準為10?3" role="presentation">10?310?3
入口壓力監測圖
兩個入口壓力監測圖如下圖所示。

(圖1)

(圖2)

從這兩幅壓力監測圖看出計算結果基本達到穩定,壓力值隨迭代變化很小。
出口溫度標準差變化圖
監測得到的出口溫度標準差曲線圖如下圖所示。

溫度標準差反映了溫度混合的均勻程度,該值越大表示溫度分布越不均勻。圖中最終的溫度標準差約為0.2。

16.2 Graphics

模型樹節點Graphics下包含了Mesh、Contours、Vectors、Pathlines以及Particle Tracks,如圖所示。在Graphics參數設置面板中還包含了Animations操作以及一些圖形顯示參數設置按鈕,如燈光、視圖等。

FLUENT計算T型管中的流動與傳熱（微社區已發布）fluent分析案例圖片27

Mesh:顯示網格圖
Contours:顯示云圖
Vectors:顯示矢量圖
Pathlines:顯示流線圖
Particle Tracks:顯示粒子追蹤圖

本案例主要利用Contours及Vectors顯示云圖及矢量圖。

16.2.1 壁面溫度分布

查看壁面溫度云圖顯示。鼠標雙擊Graphics列表框中的Contours列表項,在彈出的對話框中進行如下圖所示設置:

勾選激活Filled選項
在Contours of下拉框中選擇Temperature及Static Temperature
在Surfaces列表項中選擇wall-fluid
點擊按鈕Display

壁面上的溫度云圖顯示如下圖所示。

16.2.2 創建截面

創建截面后可以顯示截面上的物理量分布。這里創建x截面。

利用Ribbon界面中的Postprocessing標簽頁
選擇Create按鈕下的Iso-Surface…功能菜單
如下圖所示。

在彈出的對話框中進行如圖所示設置:
選擇Surface of Constant為Mesh及X-Coordinate
設置Iso-Value為0
設置New Surface Name為x-0
點擊Create按鈕創建截面

16.2.3 顯示截面物理量

回到Contours設置面板,

設置Contours of為Velocity及Velocity Magnitude
選擇Surface為x-0
點擊按鈕Display

顯示速度云圖如下圖所示。

設置

Contours of為Temperature及Static Temperature,點擊Display按鈕。

顯示溫度云圖如下圖所示。