本案例利用 FLUENT 計(jì)算 Tesla 閥的內(nèi)部流場(chǎng)特征。 Tesla 閥是一種沒有運(yùn)動(dòng)部件的微型閥門,通常用于微機(jī)電系統(tǒng),其操作原理基于流體流動(dòng)的方向。在相同的壓力降下,正向流動(dòng)的流量大于逆向流動(dòng)的流量,換句話說,在相同流量情況下,正向壓降要遠(yuǎn)小于逆向壓降。本案例的研究正是基于此原理,研究的閥門型式如圖所示,給定正向或反向流動(dòng)速度為 10m/s ,考察在此速度條件下,正向流動(dòng)與逆向流動(dòng)的壓力降。

案例采用的模型幾何尺寸如圖所示,采用 3D 模型進(jìn)行計(jì)算,流動(dòng)介質(zhì)為水,其密度為 1000kg/m 3 ,粘度 0.001Pa.s 。

流動(dòng)雷諾數(shù):

計(jì)算采用層流模型。閥門的幾何模型如圖所示(圖中單位為微米)。

三維幾何模型如圖所示。

案例網(wǎng)格模型如圖所示?？偩W(wǎng)格數(shù)量 93482 。

Step 1 :啟動(dòng) FLUENT

• 啟動(dòng) FLUENT 。

• 利用菜單【File 】 > 【 Read 】 > 【 Mesh… 】,選擇網(wǎng)格文件 Ex2-1.msh

Step 2 :縮放網(wǎng)格

按以下步驟操作:

• 鼠標(biāo)選擇模型操作樹節(jié)點(diǎn)General 右側(cè)面板中的 Scale… 按鈕,如 圖所示。

Scale Mesh 對(duì)話框顯示的模型尺寸范圍如下圖所示?？梢钥吹侥Ｐ统叽缗c實(shí)際幾何尺寸存在偏差。實(shí)際幾何 Z 方向厚度為 120 微米,而對(duì)話框顯示尺寸為 0.12m ,相差了 1000 倍,在 X , Y 方向同樣如此,因此需要對(duì)模型的 X,Y,Z 三方向同時(shí)縮小 1000 倍。

• 選擇 Mesh Was Created In 下拉框?yàn)?/span> mm ,點(diǎn)擊 Scale 按鈕,如圖所示進(jìn)行操作。

小提示:對(duì)于用于 CFD 計(jì)算的幾何建模,在建模的時(shí)候根本不需要關(guān)注模型尺寸及單位,只需要按照幾何比例創(chuàng)建模型即可,在求解器導(dǎo)入模型后通常需要確認(rèn)導(dǎo)入的模型是否與實(shí)際幾何尺寸一致。

縮放后幾何尺寸如圖所示?？梢愿?strong style="color:#DC143C !important;">View Length Unit In 下拉框中的選項(xiàng)為 mm,這樣看起來(lái)更順眼一些,當(dāng)然也可以不選,此選項(xiàng)只是方便查看而已,并不會(huì)影響幾何的尺寸。

Step 3 :檢查網(wǎng)格

按以下步驟操作:

• 鼠標(biāo)選擇模型操作樹節(jié)點(diǎn) General 右側(cè)面板中的 Check 按鈕,如圖所示。

點(diǎn)選此按鈕后在 TUI 窗口出現(xiàn)如圖所示提示。重點(diǎn)關(guān)注 minimum volume 的值,確保該值為正。

Step 4 : General 面板其他設(shè)置

其他采用默認(rèn)設(shè)置。

Step 5 : Models 設(shè)置

本案例湍流計(jì)算采用默認(rèn)的層流模型,不考慮溫度變化,沒有其他的額外模型需要選擇,因此該模型節(jié)點(diǎn)無(wú)需進(jìn)行額外設(shè)置。

Step 6 : Material 設(shè)置

案例采用的流動(dòng)介質(zhì)為液態(tài)水,密度為 1000kg/m 3 ,粘度為 0.001Pa.s 。

• 鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn) Materials ,選擇右側(cè)面板中的 Create/Edit… 按鈕

• 彈出的 Create/Edit Materials 對(duì)話框中選擇按鈕 Fluent Database…

• 在彈出的 Fluent Database Materials 對(duì)話框中選擇材料 water-liquid(h2o) ,點(diǎn)擊 Copy 按鈕將材料添加到當(dāng)前工程中。點(diǎn)擊 Close 按鈕關(guān)閉此對(duì)話框

• 在 Create/Edit Materials 對(duì)話框中修改材料密度為 1000 ,粘度為 0.001 ,點(diǎn)擊 Change/Createa 按鈕確認(rèn)修改,點(diǎn)擊 Close 按鈕關(guān)閉對(duì)話框

Step 7 : Cell Zone Conditions 設(shè)置

設(shè)置計(jì)算域中介質(zhì)屬性。

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點(diǎn) Cell Zone Conditions | fluid(fluid)

• 在彈出的流體域介質(zhì)屬性設(shè)置對(duì)話框中,設(shè)置 Material Name 為 water-liquid

Step 8 : Boundary Conditions 設(shè)置

設(shè)置步驟:

• 鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn) Boundary Conditions

• 鼠標(biāo)雙擊右側(cè)設(shè)置面板中 Zone 列表框下的 inflow

• 設(shè)置 velocity Magnitude 為 10m/s

• 設(shè)置 outflow 邊界的類型為 pressure-outlet ,其他采用默認(rèn)設(shè)置

Step 9 : Solution Methods

設(shè)置步驟包括:

• 鼠標(biāo)選擇模型樹節(jié)點(diǎn) Solution Methods ,如下圖所示設(shè)置右側(cè)面板

Step 10 : Monitors 設(shè)置

設(shè)置殘差精度標(biāo)準(zhǔn)。

• 鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn) Monitors

• 鼠標(biāo)選擇右側(cè)面板中 Residuals 下方的 Edit… 按鈕

• 在彈出的 Residual Monitors 對(duì)話框中設(shè)置所有方程的 Absolute Criteria 為 1e-5

Step 11 : Solution Initialization

鼠標(biāo)單擊模型樹節(jié)點(diǎn) Solution Initialization ,采用默認(rèn)的 Hybrid Initialization 進(jìn)行初始化,點(diǎn)擊右側(cè)設(shè)置面板中的 Initialize 按鈕進(jìn)行初始化。如圖所示。

Step 12 : Run Calculation 及文件保存

點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn) Run Calculation ,設(shè)置右側(cè)面板中 Number of Iterations 為 500 ,點(diǎn)擊按鈕 Calculate 進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算完畢后,利用菜單 【 File 】 > 【 Write 】 > 【 Case & data… 】 保存工程文件為 Tesla_forward.cas 及 Tesla_forward.dat 。

Step 13 :修改邊界條件

利用逆流邊界進(jìn)行設(shè)置計(jì)算。設(shè)置 inflow 為壓力出口, outflow 為速度入口。

• 鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn) Boundary Conditions

• 鼠標(biāo)選擇列表框中邊界 inflow ,設(shè)置其 Type 為 pressure-outle ,在彈出的邊界值設(shè)置對(duì)話框中采用默認(rèn)的邊界值,即靜壓為 0 ,點(diǎn)擊 OK 按鈕關(guān)閉對(duì)話框

• 鼠標(biāo)選擇列表框邊界 outflow ,設(shè)置其 Type 為 velocity-inlet ,在彈出的邊界值設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置其速度值為 10m/s ,點(diǎn)擊 OK 按鈕關(guān)閉對(duì)話框

Step 14 : Run Calculations 及文件保存

點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn) Run Calculation ,設(shè)置右側(cè)面板中 Number of Iterations 為 500 ,點(diǎn)擊按鈕 Calculate 進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算完畢后,利用菜單【 File 】 > 【 Write 】 > 【 Case & data… 】 保存工程文件為 Tesla_backward.cas及 Tesla_backward.dat 。

Step 15 :啟動(dòng) CFD-POST 并導(dǎo)入數(shù)據(jù)

本案例涉及到兩個(gè) case 的比較,因此在 CFD-POST 中進(jìn)行。

小技巧: CFD-POST 是專業(yè)的后處理軟件,所有的 CFD-POST 計(jì)算結(jié)果建議在 CFD-POST 中進(jìn)行,能夠獲得比 FLUENT 自身后處理更好的效果。

• 啟動(dòng) CFD-POST ,選擇菜單【 File 】 > 【 Load Results… 】,在打開的文件選擇對(duì)話框中,按住鍵盤 CTRL 鍵同時(shí)選擇前面計(jì)算后保存的文件 tesla_forward.cas 及 tesla_backward.cas ,點(diǎn)擊 Open 按鈕打開文件。

小技巧:在同時(shí)導(dǎo)入多個(gè)結(jié)果文件到 CFD-POST 中時(shí),通常導(dǎo)入的是 CAS 文件,而 dat 文件軟件會(huì)自動(dòng)讀取。不過需要保證 cas 文件與 dat 文件在同一路徑下,且文件名一致。導(dǎo)入瞬態(tài)序列數(shù)據(jù)時(shí),情況與此類似,在后續(xù)的瞬態(tài)結(jié)果后處理時(shí)再介紹瞬態(tài)序列數(shù)據(jù)的導(dǎo)入方法。

結(jié)果文件導(dǎo)入過程如 圖 2- 57 所示。文件導(dǎo)入后, CFD-POST 會(huì)自動(dòng)將兩個(gè) CASE 并排放置在圖形窗口中,在進(jìn)行多案例比較時(shí)非常方便。

Step 16 :創(chuàng)建截面

創(chuàng)建中面觀察比較兩個(gè) Case 的流場(chǎng)分布。該中面為 z=0.06mm

• 利用菜單【 Insert 】 > 【 Location 】 > 【 Plane 】創(chuàng)建平面,在彈出的平面創(chuàng)建對(duì)話框中輸入平面名稱 Z006mm ,點(diǎn)擊 OK 按鈕創(chuàng)建平面。

• 在左下方的平面細(xì)節(jié)設(shè)置面板中, Geometry 選項(xiàng)卡下設(shè)置 Method 為 XY Plane ,設(shè)置 Z 為 0.06[mm]

• 切換到 Color 標(biāo)簽頁(yè),設(shè)置 Mode 為 Variable ,設(shè)置 Variable 為 Velocity ,設(shè)置 Range 為 Local ,點(diǎn)擊 Apply 確認(rèn)操作

顯示窗口顯示兩種不同流動(dòng)方向條件下的速度分布。( a )為正向流動(dòng)條件下的流動(dòng)速度分布,( b )為逆向流動(dòng)條件下的速度分布。

Step 17 :壓降分析

分析兩種不同流動(dòng)條件下各自的壓降。

• 選擇菜單【 Insert 】 > 【 Expression 】,在彈出的對(duì)話框中輸入名稱 PressureDrop ,點(diǎn)擊 OK 按鈕確認(rèn)

• 在左下角的表達(dá)式定義面板中輸入 areaAve(Pressure)@outflow -areaAve(Pressure)@inflow

此表達(dá)式意義為:出口壓力與入口壓力的差值。

• 選擇菜單【 Insert 】 > 【 Table 】插入表格,在 A1 單元格輸入文本 PressureDrop ,激活 B1 單元格,在上方文本框中輸入 =PressureDrop ,此 PressureDrop 即定義的表達(dá)式

• 選擇 Default Case 為 tesla_forward

此時(shí) B1 單元格內(nèi)容為 -9.87e4Pa ,此表示正向流動(dòng)系統(tǒng)壓降為 9.87e4Pa 。

• 選擇 Default Case 為 tesla_backward

此時(shí) B1 單元格顯示內(nèi)容為 1.43e5Pa ,此為逆向流動(dòng)系統(tǒng)壓降。

圖中 逆向流動(dòng)系統(tǒng) 壓降 兩種不同流動(dòng)方式的系統(tǒng)壓降相差較大,約為 1.43e5-9.87e4=44300Pa 。

注:本案例取自我近期即將出版的新書,先劇透一下。OpenFOAM有毒,最近更新了兩篇OpenFOAM的文章,然后一大群人取消了關(guān)注。