【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱

2017-01-15  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

案例目錄

1 引子
1.1 案例描述
1.2 案例學習目標
2 計算仿真目標
3 啟動FLUENT并讀入網(wǎng)格
4 FLUENT工作界面
5 網(wǎng)格縮放及檢查
6 修改單位
7 設置模型
8 定義新材料
9 計算域設置
10 邊界條件設置
12 設置離散格式
13 Monitors
14 Initialization
15 Run Calculation
16 Results
16.1 計算監(jiān)測圖形
16.2 Graphics
16.2.1 壁面溫度分布
16.2.2 創(chuàng)建截面
16.2.3 顯示截面物理量
16.2.4 Pathline顯示
16.3 Plots

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.從左側的Component Systems列表中選擇拖拽Fluent至右側項目窗口中
  • 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。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent流體分析圖片1
  • 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)
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent流體分析圖片2
  • 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
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent仿真分析圖片3

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)格質量。

  • 選擇而模型樹節(jié)點General
  • 在右側面板中點選按鈕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
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent仿真分析圖片4
  • 2.選擇面板中的Report Quality按鈕,查看網(wǎng)格質量。TUI命令窗口顯示網(wǎng)格質量如下圖所示。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent仿真分析圖片5

    給出了三種網(wǎng)格質量: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。

【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent仿真分析圖片6

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。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent結果圖片7
  • 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。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent結果圖片8

8 定義新材料

FLUENT默認采用的材料為air,案例中流體介質為液態(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。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent培訓課程圖片9
  • 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。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent仿真分析圖片10
    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。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent仿真分析圖片11

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。

【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent仿真分析圖片12
界面元素與Cell Zone Conditions設置面板類似。


設置邊界條件:

  • 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。
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    • 切換至Thermal面板,設置Temperature為15,如圖所示。
      【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱
  • 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。
      【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱

      需要注意的是:在計算的過程中,有可能會出現(xiàn)介質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
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent結果圖片16

    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。

【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent結果圖片17
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。

【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱
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
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent分析案例圖片19

    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。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent分析案例圖片20

    對于穩(wěn)態(tài)計算,初始值不會影響最終計算結果,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。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent培訓的效果圖片21

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。

    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent培訓的效果圖片22

    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。

    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent圖片23
    (圖1)


    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent圖片24
    (圖2)


    從這兩幅壓力監(jiān)測圖看出計算結果基本達到穩(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。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent圖片25

    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。

【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent分析圖片26

  • 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
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱
    壁面上的溫度云圖顯示如下圖所示。


    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent分析圖片28

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。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent培訓課程圖片29
    在彈出的對話框中進行如圖所示設置:


    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱
  • 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
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱
    顯示速度云圖如下圖所示。


    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent培訓的效果圖片32

    設置Contours of為Temperature及Static Temperature,點擊Display按鈕。
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱
    顯示溫度云圖如下圖所示。


    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent培訓的效果圖片34

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。

【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱
顯示的流線圖如下圖所示。


【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent分析圖片36

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。

【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent分析圖片37
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。

【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent流體分析圖片38
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
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱

    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
    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱
    顯示沿直線line-center上速度分布曲線如下圖所示。


    【FLUENT案例】01:T型管混合器中的流動與傳熱fluent仿真分析圖片41


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