冷热水混合器内的流动与热交换模拟fluent.docx
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冷热水混合器内的流动与热交换模拟fluent
实验十冷热水混合器内的流动与热交换模拟
一、实验目的
(1)熟悉Gambit和Fluent的用户界面和操作;
(2)学会使用Gambit建模和划分网格;
(3)学会使用Fluent求解器进行求解,并显示计算结果
二、实验原理
一个冷热水混合器的内部流动与热量交换问题。
混合器的长宽均为20cm,,上部带3cm的圆角,温度为T=350K的热水自上部的热水管嘴流入,与下部右侧的管嘴流入的温度为290K的冷水再混合器内进行热量与动量交换后,自下部左侧的小管嘴流出。
三、实验步骤
1利用Gambit建立计算模型
步骤1:
启动Gambit软件并建立新文件
启动Gambit并且建立一个新的项目文件,文件名:
mixer.dbs
(2)选择求解器
用菜单命令Solver:
FLUENT5/6选择求解器为Fluent6.
步骤2:
创建几何图形
(3)创建坐标网格
按照下图1~5创建坐标网格,先创建X坐标的网格,在第3步选择X,完成4、5步骤后,再重复1~5步骤,在第3步选择Y,最终得到XY从-10到10的坐标网格。
发现工作区的网格显示不完全,我们可以按右下角的
工具按钮,使工作区调整至显示出整个网格。
(4)确定不同类型边界的交点和圆弧中心点
Ctrl+鼠标右键,在坐标网格上如上图所示,创建出所需要的各点。
(5)复制点
除了以上各点之外,每个小管嘴还需要外侧的2个点,我们可以通过点的复制来创建各个小管嘴外侧的点。
按照下图1~5的步骤,执行完第4步时,用Shift+鼠标左键选上所要复制的两个点,在第6步输入点要复制到的位置,上部管嘴外侧的点是原来点Y方向上+3的位置。
重复1~5步骤,创建下侧的两个小管嘴外侧的点,下侧小管嘴复制到在原来点Y方向上移动-3的位置。
复制完毕之后按按右下角的
按钮,使工作区调整至显示整个网格如下:
(5)隐藏坐标网格显示
按照下图1~4将坐标网格线隐藏,以便于后面的操作。
(6)由点创建直线和圆弧线
按照下图1~4步骤创建出一条直线,第3步Shift+鼠标左键,选中直线两段的点
重复1~4步骤,创建出其他所需要的直线,最终结果如下图。
需要注意的是创建的直线时要选取最近的点,而且各直线不能重叠,否则在后面将线组成面的操作中,这些直线不能构成一个封闭的面。
按下图1~7步骤分别创建混合器的两段圆弧圆弧,
(7)由线组成面
按下图,1~4步骤,将线组成面,其中第3步,用Shift+鼠标左键,选中组成各面的线,组成面的各直线,必须能构成一个封闭的空间。
按照同样方法重复1~4的步骤,第4不选择小管嘴的各线,将组成小管嘴的三个矩形也组成面,这个我们得到了4个面如下:
步骤3:
网格划分
(8)划分各面的网格
划分网格首先要将组成各面各线按照一定的方式划分,按照右图1~6步骤操作,第3步,用Shift+鼠标左键选中需要划分的直线。
第4步,用鼠标右键选则划分类型为intervalcount,即按照个数划分。
重复操作以上1~6步骤按照下图的数目,将一个面的组成各线进行等分划分。
按照下图1~4步骤划分出网格,第3步Shift+左键选中要划分网格的面
按照上述同样的操作,将小管嘴矩形两边划分成5等分,最后划分网格如下。
步骤4:
边界条件类型的指定
(9)设置边界类型
按照右图1~7步骤设置边界类型
注意:
第3步要用鼠标右键选Edges类型;
第4步用Shift+鼠标右键选中热水进口管嘴的最外边
第5步要用鼠标右键选中Velocity_inlet(速度入口)类型的边界;
第6步输入入口的名字inlet1,然后按Apply按钮增加一个入口。
重复1~7步骤,在第4步选中冷水入口的边,在第6步输入名字inlet2,创建冷水入口inlet2。
重复1~7步骤,在第4步选中混合水出口的边,第5步选中的边界类型为Outflow,在第6步输入名字outlet,创建出口边界outlet
步骤6:
网格文件的输出
(10)导出网格文件
用菜单明File:
Export:
Mesh…,在弹出的对话框中输入要导出网格文件的路径和文件名后,按Accept按钮,将网格文件导出
最后用菜单命令File:
Exit关闭Gambit回话,在退出之前,Gambit会问是否保存当前的项目,点击Yes将项目保存。
2用Fluent求解
用Fluent求解包括导入和检查网格、建立求解模型、设置边界条件、求解、显示计算结果等。
步骤1:
网格文件的读入、检查及显示
(1)网格的导入和检查及有关操作
启动Fluent6后,在以下窗口中选2D求解器,后按Run,进入Fluent。
用菜单命令Flie:
Read:
Case…,在打开对话框中,指定到在Gambit中导出的网格文件e:
\example\mixer.msh,点击OK后,将网格文件导入到Fluent中。
Fluent读入网格文件“mixer.msh”时,并菜单命令Grid:
Check检查网格。
网格检查列出了X,Y的最大和最小值,同时还报告了网格的其他特性,如单元格的最大体积、体积和最小体积、面积等,报告的最小体积不能为负值,否则Fluent无法进行计算。
为了保证网格质量,可以用菜单命令Grid:
Smooth/Swap平滑和交换网格。
在弹出对话框中点击Smooth按钮,再按Swap按钮,重复操作,直到报告中无需要交换的面为止。
Nonodesmoved,smoothingcomplete.
Done.
Numberfacesswapped:
0
Numberfacesvisited:
1520
用菜单命令Grid:
Scale确定长度单位,在弹出的对话框中将GridWasCreatein中选成cm,然后点击ChangeLengthUnits按钮,最后点击Scale按钮,对话框显示如下图,最后按Close按钮关闭对话框。
最后用菜单命令Display:
Grid,在对话框中按Display按钮,将网格显示出来
步骤2:
选择计算模型
建立求解模型,包括选择求解器、设置湍流模型、选择能量方程等步骤。
选择求解器:
菜单命令Define:
Models:
Solver,对话框显示如下:
Solver求解器分为Segregated(分离)和Coupled(耦合)两种;
Formulation(算法)有Implicit(隐式算法)和Explicit显式算法两种;
Space(空间属性)有2D(二维空间)和Asisymmetric(轴对称空间)AxisymmetricSwirl(轴对称旋转空间)三种;
Time(时间属性)分为Steady(定常流动)和Unsteady(非定常流动)两种;
VelocityFormulation(速度属性)有Absolute(绝对)和Relative(相对)两种;
保持默认设置不变,点击OK关闭对话框。
设置湍流模型:
用菜单命令Define:
Models:
Viscous对话框显示如下:
Inviscid表示无粘(理想)流体;Laminar表示层流模型;另外4个为常见的湍流模型。
在这里选择k-epsilon后,按OK按钮,将显示对话框如下,点击OK保持默认值。
选择能量方程:
菜单命令Define:
Models:
Energy,打开对话框中,勾选上EnergyEquation,并按确定按钮。
步骤3:
定义固体的物理性质
设置流体的物理属性,可以从Fluent数据库中选用,也可以新建一种新流体,并且输入流体的密度、等压比热、导热系数、动力粘度等物理属性。
用菜单命令Define:
Materials显示Materials对话框如下:
右侧按钮FluentDatabase选取数据库中的流体,对话框显示如下:
在选择water-liquid(H2O)后,流体的各物理属性显示在下,按Copy按钮,再按Close按钮关闭该对话框,此时Materials对话框中已经显示出复制的流体。
按Change/Create按钮将材料设置为water-liquid后,按Close按钮关闭Materials对话框.
步骤4:
设置边界条件
用菜单命令Define:
BoundaryConditions…打开对话框如下,我们在Gambit设置的三个边界类型inlet1、inlet2和Outlet之外,还有fluid(流体)和壁(wall)这两种边界属性。
左侧栏中选中fluid,右侧类型中选fluid,按Set按钮,流体对话框显示如下,将MaterialName选择water-liquid(这是我们刚才设置流体属性时,从Fluent材料库中复制过来的流体),然后按OK按钮。
左侧栏选上inlet1按钮,发现右侧类型栏中为VeloctiyInlet,这是我们在Gambit下设置的类型,按Set按钮,在弹出的对话框中按下图,设置该入口的边界条件后按OK按钮。
用同样的方法可以设置好outlet2的入口边界条件,温度为350K,其他与outlet相同。
出口的边界条件保持默认值如下。
壁面(wall)的边界条件保持默认值(热流量为0)即可。
设置完边界条件后,点击边界条件对话框上的Close按钮将其关闭。
步骤5:
求解设置
求解过程包括流场初始化、设置监视器、迭代计算等步骤
流场的初始化:
菜单命令Solver:
Initialize:
Initialize…,对话框显示中,选择从inlet2开始计算如下:
点击Init按钮进行初始化之后,再点击Close按钮关闭该对话框。
设置监视窗口:
在求解时,所关心的是出口的温度、速度是否达到稳定,为此Fluent可以设置监视器,对所关心界面的物理量进行监视。
菜单命令Solver:
Monitors:
Surface,在监视器对话框中设置如下图:
将SurfaceMonitors增加1之后,选上Plot,然后按Define按钮,按照下图设置,在定义监视器对话框,设置成监视outlet的平均重量加权温度,并且在窗口中显示出来。
以上设置完成之后,可以通过用菜单命令File:
Write:
Case…将该项目保存。
以后如果需要打开该项目,可以通过菜单命令File:
Read:
Case…将项目打开
用菜单命令Solver:
Iterate…,在显示的对话框中将NumberofIterations(迭代次数)输入300次,点击Iterate开始计算。
设置的监视窗口显示如下,在计算到约150次后出口截面上已经达到稳定状态,计算完成。
步骤6:
保存结果
用菜单命令File:
Write:
Case&Data,将项目和计算结果保存在一个文件夹中。
如果以后再需要查看计算结果,用菜单命令File:
Read:
Case&Data就可以将项目的计算结果读入后,用Display菜单命令将计算结果显示出来。
七、实验结果处理
通过Display:
Contours命令,打开Contours对话框如下:
在Contoursof栏下选择Temperure,按Display按钮,则温度分布图显示如下,如果将Options中的Filled(填充)去掉,则温度分布图入右图显示。
用同样方法,可以显示压力分布图和速度分布图如下:
用菜单命令Display:
VelocityVector,显示速度矢量场,在弹出的对话框中按照如下选择,并按Display按钮
得到用箭头表示的速度矢量分布图如下:
此外,还可以创建出流口上的温度分布XY图。
通过菜单命令Plot:
XYPlot,在显示的对话框中设置如下:
其中Y轴的函数为温度,Surface选上outlet,点击Plot按钮。
得到出口的温度XY分布图如下:
(7)二阶离散化方法重新计算
以上的求解计算使用的是是一阶离散化方法。
一般来说,其计算结果不如二姐离散化方法精度高,收敛性也不如二阶离散化方法理想。
下面介绍如何使用使用二姐离散化方法求解。
用菜单命令Solve:
Controls:
Solution…,打开对话框如下,在Discretization(离散化方法)下Energy(能量)项选SecondOrderUpwind,在Under-RelaxaztionFactors(松弛系数)项的Energy项,由1降为0.8,其他项不变,点击OK。
菜单命令Solve:
Iterate,在Iterate设置对话框中将NumberofIterations项输入200,点击Iterate,开始计算,监视窗口显示如下,表示在迭代了150次左右时温度达到稳定。
用菜单命令Display:
Contours,显示求解结果,显示温度分布图,和原先的温度分布图比较可以发现,求解结果已经得到改善。
(8)自适应网格修改功能
混合器中的热交换计算,还可以通过进一步修改网格,使其更适合于流动计算,达到更理想的拟合效果。
可以通过在现有计算的基础上,以温度梯度为基点来改善网格。
首先确定温度梯度的范围。
用菜单命令Display:
Contours在显示的对话框中,将Options中的NodeValues选项不选中,按Display按钮,显示出温度分布图如下:
发现各单元间边界不光滑了,在准备改进网格时,应该先看一下单元的值,可以看出要进行改进的区域。
在Contoursof下拉列表中,选择Adaption…和AdaptionFunction,在Options项不选择NodeValue,点击Display,得到温度梯度显示图如下:
在Options不选择AutoRange,改版最小温度梯度值,将Min设置为0.01,点击Display,显示出需要改进的高温度梯度的网格如下,这部分网格是我们需要改进的网格。
用菜单命令Adapt:
Gradient打开对话框,在Gradientof下来框中选中Temperature和StaticTempreature;在Option中不选Coarsen,即只细化修改网格而不粗糙化。
点击Compute,Fluent将计算出温度梯度的最大值和最小值,在RefineThrehold中输入0.01,点击Mark。
显示即将细化的网格有82个:
82cellsmarkedforrefinement,0cellsmarkedforcoarsening
点击Manage…,在打开的单元注册对话框(ManageAdaptionRegisters)点击Display。
准备要细化的网格的网格显示如下图。
点击单元注册对话框中的Adapt按钮后,选择Yes确认,最后关闭ManageAdaptionRegisters和GradientAdaption对话框,网格细化完毕。
通过菜单命令Display:
Grid,改进后的网格显示如下,明显看出前面所标示的温度梯度大于0.01的网格已经得到改进。
用命令菜单Solver:
Iterate,输入300次迭代,按Iterate开始计算
计算过程中,监视窗口显示如下,看出出口温度趋于稳定。
命令菜单Display:
Contours…,在对话框中Contoursof下拉框中选择Tempreature和StaticTempreature,温度分布图显示出来如下
去掉Options中的Filled,将温度分布用等温线表示如下:
可以看出,经过网格优化后,对温度场的计算更为细腻。
在本例的计算过程中,我们使用了三种离散方法
(1)最初的网格,能量方程采用一阶离散方法;
(2)最初的网格,能量方程采用二阶离散方法;
(3)利用温度梯度定位网格单元并给予改进,能量方程采用二阶离散方法。
将三种方法得出的温度分布进行比较,可以明显看出数值计算结果越来越理想。
(a)最初网格,一阶离散(b)最初网格,二阶离散
(c)改进网格,二阶离散
七、练习
(1)对于最后的结果,绘制出口处的压强、速度和温度分布图
(2)改变入口边界条件重新计算,观察结果
(3)在出口边界上设置观察点,检测出口截面上的速度变化
(4)自己设计出一个冷空气和热空气的混合器,并计算内部的流动与热交换