案例目錄

1 引子

1.1 案例描述

本案例進(jìn)行T型管中的流動(dòng)模擬,流體以不同的溫度進(jìn)入T形管,通過(guò)計(jì)算模擬混合過(guò)程。

1.2 案例學(xué)習(xí)目標(biāo)

本案例主要描述FLUENT界面的使用,包括CFD的全部過(guò)程,包括:

• 讀取網(wǎng)格
• 選擇計(jì)算模型
• 選擇并設(shè)置材料屬性
• 定義邊界條件
• 設(shè)置計(jì)算監(jiān)視器
• 運(yùn)行求解器
• 后處理

2 計(jì)算仿真目標(biāo)

仿真的對(duì)象為冷熱水在T型管內(nèi)的混合過(guò)程
計(jì)算仿真的目的在于確定:

• 1.流體混合程度
• 2.混合過(guò)程的壓力降

3 啟動(dòng)FLUENT并讀入網(wǎng)格

本案例利用workbench中的FLUENT模塊,也可以使用獨(dú)立版本的FLUENT進(jìn)行。

• 1.啟動(dòng)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(xiàng)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(kāi)的文件選擇對(duì)話框中,修改文件過(guò)濾選項(xiàng)為Fluent Mesh File
• 5.選擇網(wǎng)格文件Mixing_tee.msh,點(diǎn)擊OK按鈕確認(rèn)選擇
  如下圖所示。
  
  
• 6.返回至項(xiàng)目面板,鼠標(biāo)雙擊Setup單元格啟動(dòng)FLUENT,如下圖所示,可以根據(jù)自身計(jì)算機(jī)性能選擇串行或并行計(jì)算(如下圖所示采用并行4核計(jì)算)
  
  
• 7.點(diǎn)擊OK按鈕進(jìn)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(gè)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(diǎn)
• 3.參數(shù)設(shè)置面板。對(duì)應(yīng)不同的模型樹節(jié)點(diǎn)所需的參數(shù)設(shè)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(dǎo)入計(jì)算網(wǎng)格后,第一步要做的操作是檢查導(dǎo)入的網(wǎng)格有效性及網(wǎng)格質(zhì)量。

• 選擇而模型樹節(jié)點(diǎn)General
• 在右側(cè)面板中點(diǎn)選按鈕Check,TUI窗口反饋信息如下圖所示。
  注意:主要檢查兩個(gè)參數(shù):一個(gè)是Domain Extents,查看計(jì)算域尺寸是否與實(shí)際尺寸相符,若不相符則需要對(duì)計(jì)算域進(jìn)行縮放;另一個(gè)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(diǎn)擊General設(shè)置面板中的Units…按鈕彈出單位設(shè)置面板。
如下圖所示,設(shè)置temperature的單位為c。

7 設(shè)置模型

這里激活能量方程及湍流模型。

• 雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Models > Energy,在彈出的Energy對(duì)話框中,勾選Energy Equation前方的復(fù)選框,激活能量方程,如下圖所示。點(diǎn)擊OK按鈕確認(rèn)操作。
  
  
• 雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Models > Viscous(Laminar),在彈出的對(duì)話框中選擇k-epsilon(2 eqn),Realizable,其他參數(shù)保持默認(rèn),點(diǎn)擊OK按鈕確認(rèn)操作。
  
  

8 定義新材料

FLUENT默認(rèn)采用的材料為air,案例中流體介質(zhì)為液態(tài)水。

• 右鍵點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)Material > Fluid,選擇彈出菜單New,如下圖所示。
  
  
• 在彈出的對(duì)話框中,選擇Fluent Database…,彈出材料庫(kù)對(duì)話框,在材料庫(kù)中選擇材料water-liquid(h2o),點(diǎn)擊Copy按鈕,并點(diǎn)擊Close按鈕關(guān)閉對(duì)話框,如下圖所示。
  
  
  點(diǎn)擊Close按鈕關(guān)閉材料新建對(duì)話框。
  
  

9 計(jì)算域設(shè)置

• 鼠標(biāo)雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)Cell zone Conditions > fluid(fluid),彈出參數(shù)設(shè)置面板,在參數(shù)面板中設(shè)置Material Name為上一步創(chuàng)建的材料water-liquid,如下圖所示。
• 點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉對(duì)話框。
  
  

10 邊界條件設(shè)置

在模型樹節(jié)點(diǎn)Boundary Conditions中可以設(shè)置計(jì)算模型的邊界條件。如圖所示。

界面元素與Cell Zone Conditions設(shè)置面板類似。

• inlet-y邊界設(shè)置
  • 在Zone列表框中選擇邊界inlet-y,選擇Type下拉框選項(xiàng)Velocity-inlet,鼠標(biāo)點(diǎn)擊面板按鈕Edit…
  • 彈出參數(shù)設(shè)置對(duì)話框,如圖所示。在Momentum標(biāo)簽頁(yè)下,設(shè)置Velocity Manitude參數(shù)值為0.3; 選擇Specification Method為Intensity and Hydraulic Diameter,設(shè)置Tubulent Intensity為5,設(shè)置Hydraulic Diameter為0.15。
    
    
  • 切換至Thermal面板,設(shè)置Temperature為15,如圖所示。
    
    
• inlet-z邊界設(shè)置
  • 與inlet-y設(shè)置相類似,所不同的是設(shè)置Velocity Manitude參數(shù)值為0.1;設(shè)置Hydraulic Diameter為0.1;設(shè)置Temperature為25
• outlet邊界設(shè)置
  • 選擇Type下拉框選項(xiàng)pressure-outlet,點(diǎn)擊Edit…按鈕
  • 在彈出的對(duì)話框Momentum標(biāo)簽頁(yè)下,設(shè)置Gauge Pressure為0,設(shè)置Specification Method為Intensity and Hydraulic Diameter,設(shè)置Backflow Turbulent Intensity為5,設(shè)置Backflow Hydraulic Diameter為0.15
  • 切換至Thermal面板,設(shè)置Temperature為20。
    
    

    需要注意的是:在計(jì)算的過(guò)程中,有可能會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)從出口邊界進(jìn)入流體域的情況(回流),這種情況有可能是真是的流動(dòng)特征(在計(jì)算收斂時(shí)仍然存在回流),或者僅僅只是收斂過(guò)程中的短暫狀態(tài)(隨計(jì)算進(jìn)行回流消失)。不管是何種情況,FLUENT需要知道邊界上的真實(shí)來(lái)流信息。若在出口位置沒(méi)有回流,則這些回流參數(shù)值在計(jì)算過(guò)程中不會(huì)被使用。在選擇計(jì)算邊界位置時(shí),通常將出口位置選擇在沒(méi)有回流的地方。

12 設(shè)置離散格式

模型樹節(jié)點(diǎn)Solution Methods主要設(shè)置模型的離散算法。如圖所示。

• 選擇Pressure-Velocity Coupling scheme為Coupled
• 激活選項(xiàng)Pseudo Transient
• 激活選項(xiàng)Warped-Face Gradient Correction
  
  

  離散格式定義了梯度及變量插值的計(jì)算方法。默認(rèn)選項(xiàng)適用于大多數(shù)的計(jì)算問(wèn)題。

13 Monitors

利用模型樹節(jié)點(diǎn)Monitors可以在計(jì)算過(guò)程中監(jiān)測(cè)一些物理量的變化。本例設(shè)置監(jiān)測(cè)兩個(gè)入口壓力值及出口溫度標(biāo)準(zhǔn)差。Monitors設(shè)置面板如下圖所示。

設(shè)置面板中的一些參數(shù):

• Residuals,Statistic and Force Monitors:監(jiān)測(cè)殘差、統(tǒng)計(jì)值以及各種力
• Surface Monitors:監(jiān)測(cè)面上的各種參數(shù)值
• Volume Monitors:監(jiān)測(cè)體上的各種參數(shù)值
• Covergence Monitors:收斂監(jiān)測(cè),通過(guò)前面的監(jiān)測(cè)參數(shù)來(lái)判斷計(jì)算是否收斂

本例中監(jiān)測(cè)三個(gè)面參數(shù),利用Surface Monitors下方的Create按鈕進(jìn)行創(chuàng)建。鼠標(biāo)選擇此按鈕后,如下圖所示。

定義三個(gè)Monitors,步驟包括:

1. 點(diǎn)擊Surface Monitors下的Create…按鈕

   • Name:設(shè)置為p-inlet-y
   • Plot Windws:設(shè)置為2
   • Report Type:設(shè)置為Area-Weighted Average
   • Field Variable:設(shè)置為Pressure及Static Pressure
   • Surface:選擇inlet-y

2. 點(diǎn)擊Surface Monitors下的Create…按鈕

   • Name:設(shè)置為p-inlet-z
   • Plot Windws:設(shè)置為3
   • Report Type:設(shè)置為Area-Weighted Average
   • Field Variable:設(shè)置為Pressure及Static Pressure
   • Surface:選擇inlet-z

3. 點(diǎn)擊Surface Monitors下的Create…按鈕

   • Name:設(shè)置為t-dev-outlet
   • Plot Windws:設(shè)置為4
   • Report Type:設(shè)置為Standard Deviation
   • Field Variable:設(shè)置為Temperature及Static Temperature
   • Surface:選擇outlet

14 Initialization

利用模型樹節(jié)點(diǎn)Solution Initialization可對(duì)計(jì)算域進(jìn)行初始化。FLUENT提供了兩種初始化方法:

• Hybird Initialization:通過(guò)各種不同的插值方式獲得計(jì)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(chǎng)與壓力場(chǎng)
• 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(jìn)行初始化,如上圖所示,選擇Initialize按鈕進(jìn)行初始化。此時(shí)在圖形窗口中可能會(huì)出現(xiàn)如下圖所示的警告信息,不過(guò)這僅僅只是提示拉普拉斯方程沒(méi)有收斂,大可以忽略。
  
  

  對(duì)于穩(wěn)態(tài)計(jì)算,初始值不會(huì)影響最終計(jì)算結(jié)果,但是會(huì)影響收斂過(guò)程,嚴(yán)重偏離實(shí)際的初始值可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算收斂緩慢甚至發(fā)散。對(duì)于瞬態(tài)計(jì)算,初始值會(huì)影響到后續(xù)的計(jì)算結(jié)果。

15 Run Calculation

選擇模型樹節(jié)點(diǎn)Run Calculation,如圖所示。

• 設(shè)置Number of Iterations為350,點(diǎn)擊按鈕Calculate進(jìn)行迭代計(jì)算。
  
  

16 Results

計(jì)算后處理。

16.1 計(jì)算監(jiān)測(cè)圖形

• 殘差曲線
  計(jì)算監(jiān)測(cè)得到的殘差曲線如下圖所示。
  

  

  圖中殘差曲線顯示計(jì)算在迭代120步左右達(dá)到收斂,表現(xiàn)為殘差曲線降低至設(shè)置的殘差標(biāo)準(zhǔn)以下,默認(rèn)殘差標(biāo)準(zhǔn)為10?3" role="presentation">10?310?3

• 入口壓力監(jiān)測(cè)圖
  兩個(gè)入口壓力監(jiān)測(cè)圖如下圖所示。
  

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

• 出口溫度標(biāo)準(zhǔn)差變化圖
  監(jiān)測(cè)得到的出口溫度標(biāo)準(zhǔn)差曲線圖如下圖所示。
  
  
  
  溫度標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差約為0.2。

16.2 Graphics

模型樹節(jié)點(diǎn)Graphics下包含了Mesh、Contours、Vectors、Pathlines以及Particle Tracks,如圖所示。在Graphics參數(shù)設(shè)置面板中還包含了Animations操作以及一些圖形顯示參數(shù)設(shè)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(biāo)雙擊Graphics列表框中的Contours列表項(xiàng),在彈出的對(duì)話框中進(jìn)行如下圖所示設(shè)置:

• 勾選激活Filled選項(xiàng)
• 在Contours of下拉框中選擇Temperature及Static Temperature
• 在Surfaces列表項(xiàng)中選擇wall-fluid
• 點(diǎn)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(biāo)簽頁(yè)
• 選擇Create按鈕下的Iso-Surface…功能菜單
  如下圖所示。
  
  
  在彈出的對(duì)話框中進(jìn)行如圖所示設(shè)置:
  
  
  
  
• 選擇Surface of Constant為Mesh及X-Coordinate
• 設(shè)置Iso-Value為0
• 設(shè)置New Surface Name為x-0
• 點(diǎn)擊Create按鈕創(chuàng)建截面

16.2.3 顯示截面物理量

回到Contours設(shè)置面板,

• 設(shè)置Contours of為Velocity及Velocity Magnitude
• 選擇Surface為x-0
• 點(diǎn)擊按鈕Display
  
  
  顯示速度云圖如下圖所示。
  
  
  
  
  
  設(shè)置Contours of為Temperature及Static Temperature,點(diǎn)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(xiàng),彈出如下圖所示對(duì)話框。

顯示的流線圖如下圖所示。

16.3 Plots

模型樹節(jié)點(diǎn)Plots可以輸出一系列圖形,如曲線圖、直方圖等。

列表項(xiàng):

• 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(duì)文件指定的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換,將時(shí)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(xiàng)Line/Rake…,如下圖所示。

彈出如下圖所示對(duì)話框:

• 設(shè)置Type為L(zhǎng)ine
• 設(shè)置End Point分布為**(0,-0.3556,0)及(0,0.3556,0)
• 設(shè)置New Surface Name為line-center
  
  
  
  雙擊模型樹節(jié)點(diǎn)XY Plot,彈出如下圖所示對(duì)話框,進(jìn)行如下設(shè)置:
• 設(shè)置Plot Direction為**(0,1,0)
• 設(shè)置Y Axis Function為Velocity及Velocity Magnitude
• 選擇Surface列表項(xiàng)line-center
• 點(diǎn)擊按鈕Plot
  
  
  顯示沿直線line-center上速度分布曲線如下圖所示。