推荐引射式冷热水混流器流动分析三维 精品.docx

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推荐引射式冷热水混流器流动分析三维精品

燕山大学

专业综合训练说明书

题目：

引射式冷热水混流器流动分析（三维）

学院（系）：

年级专业：

学号：

指导教师：

李

教师职称：

讲师

一、设计任务和要求------------------------------2

二、设计依据和设计原则--------------------------2

三、设计方案论述

（Ⅰ）建立仿真模型并对网格进行设定和划分---------2

（Ⅱ）设置边界类型------------------------------3

（Ⅲ）启动Fluent，读入网格文件-------------------3

（Ⅳ）求解器参数设置及边界条件设置--------------3

（Ⅴ）设置求解器控制参数--------------------------4

（Ⅵ）图像处理-----------------------------------5

四、综合训练心得体会-----------------------------8

引射式冷热水混流器流动分析（三维）

一、设计任务和要求

在本次的综合训练中，我做的项目是引射式冷热水混流器流动分析，即冷水自左侧管道入口流入，经渐缩管道后，速度加快，同时压强降低，在管道喉部产生真空，将热水管道中的热水吸入主管道，冷热水混合后，经右侧管道流出，分析此过程中混流器的压力、速度、温度等参数的分布情况。

二、设计依据和设计原则

本结构属于文丘里管类型，设冷水入口处压强、流速、喉部压强、流速、出口处压强、收缩段、渐扩段局部损失系数，不计沿程损失，根据伯努利方程和连续性方程，考虑到出口压强为0，冷水流入速度为1m/s，在有热水支管的情况下，得到冷水入口压强7142Pa，喉部平均压强-1074Pa，出口平均温度约为304.9K，且流量最后满足质量守恒定律。

三、设计方案论述

（Ⅰ）建立仿真模型并对网格进行设定和划分

在进行模拟数值计算及分析参数变化之前，先建立三维仿真模型。

建模时还分为建立冷水流入管道、出口管道、热水流入管道、渐缩管，首先创建圆柱型管道，然后创建两个不同的圆锥型管道，通过体的平移组成渐缩管道，同样的方法创建进口和出口管道、热水流入管道，通过平移组合起来，完成了初步的建模，还必须有一步关键步骤，那就是分割管路，把六个体构成一个流动区域，合并成一个整体，考虑到喉部附近网格应该分得密一些，还需把整体进行切割。

这样混流器的模型才算真正建立成功了，最终的建模结果如下：

图1混流器模型

（Ⅱ）设置边界类型

确定边界类型是必不可少的关键步骤，设置冷水入口边界名为inlet_cold，热水入口边界名为inlet_hot，混合水出口边界名为outlet，输出并保存网格文件。

（Ⅲ）启动Fluent，读入网格文件

完成以上基本步骤之后，启动Fluent-3d，读入网格文件，进行网格检查、确定长度单位以及网格光滑处理等步骤。

（Ⅳ）求解器参数设置及边界条件设置

计算模型及设置边界条件时启动能量方程后要选择紊流模型，选取水为流体材料，假设水为不可压缩流体，密度为1000kg/m3，黏性为0.001。

因为此模型开口较多，所以需要对边界条件进行多项设置，确定流域内的流体材料为水。

对冷水入口边界设置，温度为300K，速度为1m/s，紊流强度为1%，水力直径为2cm；对热水入口边界设置，温度为360K，紊流强度为1%，水力直径为0.8cm；对冷热水混合后的出口边界条件设置，温度为300K，紊流强度为1%，水力直径为2cm；固壁边界条件保留默认设置。

（Ⅴ）设置求解器控制参数

设置求解器控制参数，选择默认求解设置，初始化流场，以使计算尽快地达到收敛，它仅仅是一个猜测值，设置残差检测器，利用迭代计算的方法，设置迭代的最大次数1000，经过约578次迭代后残差收敛。

残差是个通量之和，当收敛后，理论上当单元内没有源项使各个面流入的通量也就是对物理量的输运之和应该为零。

最大残差或者RSM残差反映流场与所要模拟流场（只收敛后应该得到的流场，当然收敛后得到的流场与真实流场之间还是存在一定的差距）的残差，残差越小越好，由于存在数值精度问题，不可能得到0残差，对于单精度计算一般应该低于初始残差1e-03以下才好，当注意具体情况，看各个项的收敛情况（比方说连续项不易收敛而能量项容易）。

一般在FLUENT中可以进行进出口流量监控，当残差收敛到一定程度后，还要看进出口流量是否稳定平衡，才可确定收敛与否（翼型计算时要监控升阻力的平衡）。

残差在较高位震荡，需要检查边界条件是否合理，其次检查初始条件是否合理，必如激波的流场，初始条件的不合适会造成流场的振荡。

有时流场可能有分离或者回流，这本身是非定常现象，计算时残差会在一定程度上发生振荡，这是如果进出口流量是否达到稳定平衡，也可以认为流场收敛。

以下是通过fluent求解得到的残差监测曲线和出口截面平均温度监测曲线：

图2残差监测曲线图图3出口截面平均温度监测曲线

通过对残差监测曲线图的分析，可以明显的看到计算后的残差低于初始残差1e-03，当残差收敛到一定程度后出口流量较为平衡，故而此流场收敛。

（Ⅵ）图像处理

对于三维流动来说，需要用某些特殊面上的流动状态来显示整个流动的特征，这就需要先创建这些面，故创建z=0的平面，其压力分布、速度分布、温度分布如下图所示：

z=0平面上的压力分布云图如下所示：

图4压力分布云图

z=0平面上的速度分布云图如下所示：

图5速度分布云图

z=0平面上的温度分布云图如下所示：

图6温度分布云图

为了作进一步的对比，显示出冷水入口和热水入口流入质点的流线、热水管内的流体质点轨迹，如图所示：

冷水入口和热水入口流入质点的流线：

图7冷水入口和热水入口流入质点的流线

热水管内的流体质点轨迹：

图8热水管内的流体质点轨迹

四、综合训练心得体会

为了提高我们的综合能力，巩固已经学过的专业知识，为以后的学习工作打下坚实的基础，学校为我们安排了为期四周的专业综合训练课程。

综合训练中，我们主要是学习一些与专业相关的应用软件，我主要学习了Fluent软件，并用Fluent软件完成了此次训练任务。

在训练中，我做的是运用Fluent软件对引射式冷热水混流器流动进行三维数值模拟。

在训练初期，我对于软件不是很了解，也不能很清楚的理解训练题目，遇到了很多困难。

在老师和同学们的帮助下，我对Fluent软件有了一定的了解，同时我还查阅了许多相关的书籍，从中学到了很多知识。

在练习了一些简单的模型以后，我对软件已经比较熟悉，在此基础上，我顺利完成了我的训练任务。

参加训练的过程中，我还用到了以前的流体力学、传热学等专业知识，通过训练，我的专业知识方面也有了很大的提高，并且能够综合运用这些知识，这对于我以后的发展有很大的帮助。

同时，我深刻感受到理论要与实践相结合。

通过综合训练，我受益匪浅，我所学的知识是有限的，我以后会努力学习更多的专业知识，并应用到实际学习中，使自己有所进步。

最后感谢老师的耐心指导。

思考研究：

1.何为残差？

残差为多少时计算结果比较精确可靠？

答：

残差是个通量之和，当收敛后，理论上当单元内没有源项使各个面流入的通量也就是对物理量的输运之和应该为零。

最大残差或者RSM残差反映流场与所要模拟流场（只收敛后应该得到的流场，当然收敛后得到的流场与真实流场之间还是存在一定的差距）的残差，残差越小越好，由于存在数值精度问题，不可能得到0残差，对于单精度计算一般应该低于初始残差1e-03以下才好，当注意具体情况，看各个项的收敛情况（比方说连续项不易收敛而能量项容易）。

2.对待三维流动，图像应怎样分析处理才能让其显示整体的流动特征？

答：

需要用某些特殊面上的流动状态来显示整个流动的特征，故先要创建这些面，进而来分析其压力分布、速度分布、温度分布等。

3.fluent软件所包含的物理模型主要有那些？

答：

包含无粘流、层流、湍流等模型，其中湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型（RSM）组、大涡模拟模型（LES）组以及最新的分离涡模拟（DES）和V2F模型等。

另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型。

4.雷诺数的意义？

答：

流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数Re=UL/ν。

其中U为速度特征尺度，L为长度特征尺度，ν为运动学黏性系数。

表征流体运动中黏性作用和惯性作用相对大小的无因次数。

综合训练评审意见表

指导教师评语：

（1）任务完成情况：

按照任务书要求（很好、比较好、一般、较差）完成规定的任务量；

（2）纪律、态度：

工作作风（特别、比较、不够）严谨扎实；工作（非常、比较、不够）努力；

（3）分析与解决问题的能力：

（能、基本能、不能）运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；

（4）综合训练质量：

文字通顺，编号齐全、书写工整规范；图表完备、符号统一、整洁、正确，技术用语准确，有见解；论述充分，分析、处理问题科学；本条各项达到要求程度（很好、比较好、一般、较差）。

成绩：

指导教师：

20XX年12月15日

答辩小组评语：

（1）质量：

图纸、图表、书写的规范性（很好、较好、一般、较差）。

（2）答辩质量：

思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确（很好、较好、一般、较差）。

（3）自我见解：

对工作有自我理解或体会，或有独特见解（很好、较好、一般、较差）。

（4）回答问题：

有理论根据，概念清楚，准确，深入，有逻辑性（很好、较好、一般、较差）。

（5）讲解时间：

符合要求（很好、较好、一般、较差）。

成绩：

答辩小组成员签字：

20XX年12月16日

综合训练总成绩：

20XX年12月16日