十字搅拌器内流体流动模拟.docx

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十字搅拌器内流体流动模拟

十字搅拌器内流体流动模拟

二维十字搅拌器中间叶轮长h=9cm，宽l=2cm，搅拌桶中盛有水，半径r=0.5m，搅拌器以角速度ω=5rad/s，坐标系原点取为叶轮中心，模型简图如图-1所示。

图-1

一、模型建立

1、启动gambit，设置工作目录。

2、首先建立十字搅拌器模型，搅拌器可以看成两个矩形合并而成，矩形的成应2h+l，宽即为l，故单击创建面板块，如图-2在CreateRealRectangularFace面板中输入宽为0.2，高为0.02，单击apply，再输入宽为0.02，高为0.2，单击apply，生成如图-3所示的交叉的两个矩形，其中矩形的中点和原点重合。

3、

图-2

图-3

3、将两个交叉矩形合并为一个面域，在face面板中，利用布尔运算如图-4所示，将两个矩形进行合并，如图-5所示

图-4

图-5

4、下面再创建动区域和静区域交界的两个圆，在face面板中的CreateRealCircularFace面板中，如图-6中的Radius栏中输入0.5，单击apply，再次输入0.12，单击apply，如图-7所示。

图-6

图-7

5、接下来进行面域的布尔运算，在face面板的SubtractRealFaces中，如图-8所示进行布尔减操作（保留小圆面域），将大圆面域减成一个圆环如图-9所示

图-8

图-9

6、再用十字搅拌器面减去小圆面域，同样在SubtractRealFaces面板中依此输入两个面域（不保留十字搅拌器面域）如图-10，单击apply键，模型将建立成功。

图-10

二、网格划分

1、选择网格划分模块，打开meshfaces面板。

在faces中选取圆环面域，设置网格划分方式为Quad单元和map法划分，选择spacing下面的intervalcount，并填入200，在projintervals（径向划分的间隔数）输入50，如图-11所示，单击apply进行确定，生成如图-12所示的面网格。

图-11

图-12

2、接着，再对中间动区域进行网格的划分，在meshfaces面板中的faces中选取中间表征动区域的面域，如图-13所示，运用的网格划分方式为Quad单元和Pave法划分，选择Spacing下面的Intervalsize,并在左侧输入0.005，单击apply进行确定，生成如图-14的网格。

图-13

图-14

3、进行边界条件的定义，进入到边界条件的设置模块，在SpecifyBoundaryTypes面板中选择十字搅拌器的12条边，将它们定义为Wall边界，名字为jbq-wall。

然后选择圆环与动区域交界的两条边，这里的两条边是重合在一起的，将其两条边都定义为INTERFACE边界，名字分别为interface-1和interface-2，如图－15所示。

图-15

4、进行计算区域的定义，将其区域定义为静区域和动区域，在Specify　Continuum　Types面板中将外部面定义为FLUID，名称为jing，将内部面域定义为FLUID，名称为dong，如图-16所示。

5、进行网格质量的检查，如图-16.1、图16.2所示。

6、最后执行File－Export-msh命令，将网格输出为.msh格式

图-16

图-16.1

图-16.2

三、求解计算

１、启动FLUENT二维单精度计算器，执行File－Read－Case命令，将.msh文件读入如图－17所示

图-17

2、对网格进行检查，执行check命令，检查窗口最后一行将会出现“Done”语句，执行－Scale命令，在如图－18中对计算区域的尺寸和单位制进行设置，单位为ｍ，保持默认值。

图-18

ＭＲＦ模型的计算

１、执行Define-Models-Solver命令，弹出如图-19的对话框，保持默认设置，单击OK按钮。

2、执行Define-Models-Viscous命令，弹出ViscousModel对话框，在Model选项中选择k-epsilon（2eqn）,在k-epsilonModel选项下选择Standard，保留其他默认设置，如图-20所示

图-19

图-20

3、定义流体的材料-水，完成对材料物性的定义（水的密度和动力粘度分别为998.2Kg/m3和0.001003Kg/（m•s）,zai5rad/s的角速度下，旋转水的雷诺数约为104，）如图-21所示。

图-21

4、下一步设置计算的环境，执行Define-OperatingCondition命令，打开对话框，保持默认值，如图-22所示，点击OK按钮。

图-22

5、执行Define-BoundaryCondition命令，弹出如图-23所示的进行边界条件的定义，定义如下：

图-23

●在左边的Zone栏选中jing，其Type为Fluid，单击Sat按钮，打开如图-24所示。

在对话框的MaterialName下拉列表中选择water-liquid，单击OK，即设置静区域的流体为水。

●在左区域的Zone栏中dong，其Type也为Fluid，单击set，打开如图-25所示。

在对话框的MaterialName下拉列表中选择water-liquid，选择Motion中的MotionType为MovingReferenceFrame，即启动MRF模型，在RotationalVelocity的Speed[rad/s]栏中输入5，单击OK，即设置动区域内的流体为水，且以5rad/s的角速度在旋转。

●在左边的Zone栏中选中Jbq-wall，其Type为wall，单击set，打开如图-26所示的wall对话框，在对话框Momentum下选择WallMotion中的MovingWall，并选择Motion下方的RelativetoAdjacentCellZone和Rotation，保持Speed[rad/s]和Rotation-AxisOrigin的X[m

●]、Y[m]为0，单击OK，即定义十字搅拌器叶轮与邻近的区域一起以5rad/s同步转动。

●6、出来定义以上边界条件之外，还要定义交界面，执行Define-GridInterfaces命令，弹出如图-27所示的对话框，在GridInterfaces输入栏中输入名称交界，在InterfacesZone1列表中选择Interface-1，在InterfacesZone2列表中选择Interface-2，单击Create按钮创建交界面。

图-24

图-25

图-26

图-27

7、下面对求解参数进行设置，执行Solve-Control-Solution命令，保持默认设置，如图-28所示，单击OK按钮。

图-28

8、对流场进行初始化，执行Solve-Initialize命令，在SolutionInitialization对话框中选择all-zones，对全区域进行初始化，顺序单击Init、apply、Close按钮，如图-29所示。

图-29

9、初始化后，执行Solve-Monitors-Residual命令，在弹出的ResidualMonitors对话框中选择Plot，打开残差曲线图。

对话框下方的Criteria中可以输入各参数的收敛精度要求，将其设置为0.0001，单击OK按钮，如图-30所示。

图-30

10、完成上述的步骤的设置后，执行File-Write-Case命令，将功成文件进行保存设置。

11、执行Solve-Iterate命令，设置迭代步为1000，如图-31，单击Iterate按钮开始解算。

得到的残差图如图-32所示。

图-31

图-32

12、计算完后，执行Display-Contours命令，选择ContoursOf下拉列表中的Pressure和StaticPressure，选择ContoursOf下拉列表中的Velocity和VorticityMagnitude，执行Display-Vectors命令，选择Vectorsof下方列表中的Velocity，可以分别看到搅拌桶内与十字搅拌器周围的流速分布。

如下图所示（图-33、图-34、图-35、图-36、图-37）

图-33全区域的压力分布图

图-34全区域的速度分布图

图-35十字搅拌器周围的流速分布云图

图-36全区域的流速矢量图

图-37十字搅拌器周围的流速矢量图

13、执行File-Write-Data命令，将其保存为.dat文件。

滑移网格模型计算

利用滑移网格模型计算时，可直接在其上次模型的基础上修改。

1、由于滑移网格模型求解的是非定常问题，所以首先执行Define-Models-Solver命令，将Time下方的Steady改为Unsteady，如图-38所示，单击OK按钮。

图-38

2、需要改变动区域的流体定义，执行Define-BoundaryConditions命令，在左边的Zone栏中选中dong，单击set按钮，打开如图-39所示的Fluid对话框。

在对话框的MaterialName下拉列表中选择water-liquid，选取Motion中MotionType为MovingMesh，启动滑移网格模型，并在RotationalVelocity的Speed[rad/s]中输入5，单击OK按钮。

其他边界条件定义、交界面、球结参数的定义与MRF模型设置均相同，这里不用重复设置。

3、再次对流场进行初始化，执行Solve-Initialize命令，在SolutionInitialization对话框中选择all-zones，对全区域进行初始化，顺序单击Init、apply、Close按钮，如图-40所示。

图-39

图-40

3、完成上述步骤的设置后，执行File-Write-Case命令，将功成文件进行保存设置。

4、执行Solve-Iterate命令，设置时间步长为（TimeStepSize[s]）0.1，时间步（NumberofTimeStep）为500，并将iteration下方的MaxIterationsperTimeStep改为40，如图-41所示，单击Iterate按钮开始解算。

得到的残差图如图-42所示

图-41

图-42

6、与MRF模型计算完后的都处理一样，可得到下图的压力和流速分布云图以及流速矢量图，如下图所示，（图-43、图-44、图-45、图-46、图-47）。

图-43全区域的压力分布图

图-44全区域的速度分布图

图-45十字搅拌器周围的流速分布云图

图-40

图-46全区域的流速矢量图

图-47十字搅拌器周围的流速矢量图

7后处理完后，将滑移网格模型的计算结果保存，执行File-Write-Data命令，将其保存为.dat文件。

8、最后执行File-Exit命令，安全退出FLUENT。

结果分析

1、由压力分布云图-43，可看出，压力最大值会出现在搅拌器杆的端部，因此在设计过程中需要考虑搅拌器端部的强度，或者增大该处的强度。

在杆根部会产生负压现象。

2、由速度分布云图-44、图-45，可得到，在搅拌器设备内的液体的速度回增大，当在搅拌器端部附近时，速度将会达到最大值，在搅拌器意外的区域，其速度值会逐渐降低，因此为了达到更好的传热和船只的作用，可以适当增大搅拌器的直径以此来增大搅拌器设备内液体的流速。

3、由速度矢量图-46、图-47，可得到，在搅拌器杆部，顺着搅拌器转动的方向其流速比较大，因此可以适当增大搅拌器的转速，以增大液体的流速，达到强化传热和传质的作用。

4、综述以上分析，为了强化设备的传热和传质效果，可以通过增大搅拌器的直径和转速，同时也增大了搅拌器端部附近的载荷，使得其压力增大，寿命变短，因此，我们应该综合这三种因素，选择合适的直径和转速进行设计。