案例目錄

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(wǎng)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(jiān)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(nèi)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(wǎng)格

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(cè)的Component Systems列表中選擇拖拽Fluent至右側(cè)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(wǎng)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(jù)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(huán)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(jié)點
• 3.參數(shù)設置面板。對應不同的模型樹節(jié)點所需的參數(shù)設置
• 4.圖形顯示窗口。
• 5.TUI及消息輸出窗口
  
  

5 網(wǎng)格縮放及檢查

在導入計算網(wǎng)格后,第一步要做的操作是檢查導入的網(wǎng)格有效性及網(wǎng)格質(zhì)量。

• 選擇而模型樹節(jié)點General
• 在右側(cè)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(shù):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(wǎng)格質(zhì)量。TUI命令窗口顯示網(wǎng)格質(zhì)量如下圖所示。
  
  
  
  給出了三種網(wǎng)格質(zhì)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(wǎng)格),Maximum Ortho Skew的范圍為0-1(0為理想網(wǎng)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(jié)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(jié)點Models > Viscous(Laminar),在彈出的對話框中選擇k-epsilon(2 eqn),Realizable,其他參數(shù)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(zhì)為液態(tài)水。

• 右鍵點擊模型樹節(jié)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(jié)點Cell zone Conditions > fluid(fluid),彈出參數(shù)設置面板,在參數(shù)面板中設置Material Name為上一步創(chuàng)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(jié)點Boundary Conditions中可以設置計算模型的邊界條件。如圖所示。

界面元素與Cell Zone Conditions設置面板類似。

• 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(shù)設置對話框,如圖所示。在Momentum標簽頁下,設置Velocity Manitude參數(shù)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(shù)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(xiàn)介質(zhì)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(tài)(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(shù)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(jié)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(shù)的計算問題。

13 Monitors

利用模型樹節(jié)點Monitors可以在計算過程中監(jiān)測一些物理量的變化。本例設置監(jiān)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(shù):

• Residuals,Statistic and Force Monitors:監(jiān)測殘差、統(tǒng)計值以及各種力
• Surface Monitors:監(jiān)測面上的各種參數(shù)值
• Volume Monitors:監(jiān)測體上的各種參數(shù)值
• Covergence Monitors:收斂監(jiān)測,通過前面的監(jiān)測參數(shù)來判斷計算是否收斂

本例中監(jiān)測三個面參數(shù),利用Surface Monitors下方的Create按鈕進行創(chuàng)建。鼠標選擇此按鈕后,如下圖所示。

定義三個Monitors,步驟包括:

1. 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

2. 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

3. 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(jié)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(xiàn)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(wěn)態(tài)計算,初始值不會影響最終計算結(jié)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(fā)散。對于瞬態(tài)計算,初始值會影響到后續(xù)的計算結(jié)果。

15 Run Calculation

選擇模型樹節(jié)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(jiān)測圖形

• 殘差曲線
  計算監(jiān)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(xiàn)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(jiān)測圖
  兩個入口壓力監(jiān)測圖如下圖所示。
  

  
  (圖1)
  
  
  
  
  (圖2)
  
  
  從這兩幅壓力監(jiān)測圖看出計算結(jié)果基本達到穩(wěn)定,壓力值隨迭代變化很小。

• 出口溫度標準差變化圖
  監(jiān)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(jié)點Graphics下包含了Mesh、Contours、Vectors、Pathlines以及Particle Tracks,如圖所示。在Graphics參數(shù)設置面板中還包含了Animations操作以及一些圖形顯示參數(shù)設置按鈕,如燈光、視圖等。

• Mesh:顯示網(wǎng)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(chuàng)建截面

創(chuàng)建截面后可以顯示截面上的物理量分布。這里創(chuàng)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(chuàng)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。
  
  
  
  

16.2.4 Pathline顯示

可以利用Pathline顯示流線。選擇Graphics列表中的Pathlines選項,彈出如下圖所示對話框。

顯示的流線圖如下圖所示。

16.3 Plots

模型樹節(jié)點Plots可以輸出一系列圖形,如曲線圖、直方圖等。

列表項:

• XY Plot:以XY曲線圖顯示變量的變化規(guī)律
• Histogram:以直方圖形式顯示數(shù)據(jù)
• File:以圖形形式顯示文件中的數(shù)據(jù)
• Profile:圖形化顯示配置文件
• FFT:對文件指定的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換,將時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)。

可以先創(chuàng)建line,再利用XYPlot顯示線上物理量分布。利用Postprocessing下的工具按鈕Create,選擇菜單項Line/Rake…,如下圖所示。

彈出如下圖所示對話框:

• 設置Type為Line
• 設置End Point分布為**(0,-0.3556,0)及(0,0.3556,0)
• 設置New Surface Name為line-center
  
  
  
  雙擊模型樹節(jié)點XY Plot,彈出如下圖所示對話框,進行如下設置:
• 設置Plot Direction為**(0,1,0)
• 設置Y Axis Function為Velocity及Velocity Magnitude
• 選擇Surface列表項line-center
• 點擊按鈕Plot
  
  
  顯示沿直線line-center上速度分布曲線如下圖所示。