冷熱水混合器內(nèi)的流動(dòng)與熱交換模擬(fluent)

1、實(shí)驗(yàn)十 冷熱水混合器內(nèi)的流動(dòng)與熱交換模擬一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）熟悉Gambit和Fluent的用戶界面和操作； （2）學(xué)會使用Gambit建模和劃分網(wǎng)格； （3）學(xué)會使用Fluent求解器進(jìn)行求解，并顯示計(jì)算結(jié)果二、實(shí)驗(yàn)原理一個(gè)冷熱水混合器的內(nèi)部流動(dòng)與熱量交換問題。混合器的長寬均為20cm，上部帶3cm的圓角，溫度為T=350K的熱水自上部的熱水管嘴流入，與下部右側(cè)的管嘴流入的溫度為290K的冷水再混合器內(nèi)進(jìn)行熱量與動(dòng)量交換后，自下部左側(cè)的小管嘴流出。三、實(shí)驗(yàn)步驟1利用Gambit建立計(jì)算模型步驟 1：啟動(dòng) Gambit 軟件并建立新文件 啟動(dòng)Gambit并且建立一個(gè)新的項(xiàng)目文件，文件名：mix

2、er.dbs（2）選擇求解器用菜單命令 Solver: FLUENT5/6選擇求解器為Fluent6.步驟 2：創(chuàng)建幾何圖形 （3）創(chuàng)建坐標(biāo)網(wǎng)格按照下圖15創(chuàng)建坐標(biāo)網(wǎng)格，先創(chuàng)建X坐標(biāo)的網(wǎng)格，在第3步選擇X，完成4、5步驟后，再重復(fù)15步驟，在第3步選擇Y，最終得到XY從-10到10的坐標(biāo)網(wǎng)格。 發(fā)現(xiàn)工作區(qū)的網(wǎng)格顯示不完全，我們可以按右下角的工具按鈕，使工作區(qū)調(diào)整至顯示出整個(gè)網(wǎng)格。（4）確定不同類型邊界的交點(diǎn)和圓弧中心點(diǎn)Ctrl+鼠標(biāo)右鍵，在坐標(biāo)網(wǎng)格上如上圖所示，創(chuàng)建出所需要的各點(diǎn)。（5）復(fù)制點(diǎn)除了以上各點(diǎn)之外，每個(gè)小管嘴還需要外側(cè)的2個(gè)點(diǎn)，我們可以通過點(diǎn)的復(fù)制來創(chuàng)建各個(gè)小管嘴外側(cè)的點(diǎn)。按照下圖

3、15的步驟，執(zhí)行完第4步時(shí)，用Shift+鼠標(biāo)左鍵選上所要復(fù)制的兩個(gè)點(diǎn)，在第6步輸入點(diǎn)要復(fù)制到的位置，上部管嘴外側(cè)的點(diǎn)是原來點(diǎn)Y方向上+3的位置。重復(fù)15步驟，創(chuàng)建下側(cè)的兩個(gè)小管嘴外側(cè)的點(diǎn)，下側(cè)小管嘴復(fù)制到在原來點(diǎn)Y方向上移動(dòng)-3的位置。 復(fù)制完畢之后按按右下角的按鈕，使工作區(qū)調(diào)整至顯示整個(gè)網(wǎng)格如下：（5）隱藏坐標(biāo)網(wǎng)格顯示按照下圖14將坐標(biāo)網(wǎng)格線隱藏，以便于后面的操作。（6）由點(diǎn)創(chuàng)建直線和圓弧線按照下圖14步驟創(chuàng)建出一條直線，第3步Shift+鼠標(biāo)左鍵，選中直線兩段的點(diǎn)重復(fù)14步驟，創(chuàng)建出其他所需要的直線，最終結(jié)果如下圖。需要注意的是創(chuàng)建的直線時(shí)要選取最近的點(diǎn)，而且各直線不能重疊，否則在后面將

4、線組成面的操作中，這些直線不能構(gòu)成一個(gè)封閉的面。按下圖17步驟分別創(chuàng)建混合器的兩段圓弧圓弧， （7）由線組成面按下圖，14步驟，將線組成面，其中第3步，用Shift+鼠標(biāo)左鍵，選中組成各面的線，組成面的各直線，必須能構(gòu)成一個(gè)封閉的空間。按照同樣方法重復(fù)14的步驟，第4不選擇小管嘴的各線，將組成小管嘴的三個(gè)矩形也組成面，這個(gè)我們得到了4個(gè)面如下：步驟 3：網(wǎng)格劃分 （8）劃分各面的網(wǎng)格劃分網(wǎng)格首先要將組成各面各線按照一定的方式劃分，按照右圖16步驟操作，第3步，用Shift+鼠標(biāo)左鍵選中需要?jiǎng)澐值闹本€。第4步，用鼠標(biāo)右鍵選則劃分類型為interval count，即按照個(gè)數(shù)劃分。重復(fù)操作以上16

5、步驟按照下圖的數(shù)目，將一個(gè)面的組成各線進(jìn)行等分劃分。按照下圖14步驟劃分出網(wǎng)格，第3步Shift+左鍵選中要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的面按照上述同樣的操作，將小管嘴矩形兩邊劃分成5等分，最后劃分網(wǎng)格如下。步驟 4：邊界條件類型的指定 （9）設(shè)置邊界類型按照右圖17步驟設(shè)置邊界類型注意：第3步要用鼠標(biāo)右鍵選Edges類型；第4步用Shift+鼠標(biāo)右鍵選中熱水進(jìn)口管嘴的最外邊第5步要用鼠標(biāo)右鍵選中Velocity_inlet（速度入口）類型的邊界；第6步輸入入口的名字inlet1，然后按Apply按鈕增加一個(gè)入口。重復(fù)17步驟，在第4步選中冷水入口的邊，在第6步輸入名字inlet2，創(chuàng)建冷水入口inlet2。重復(fù)

6、17步驟，在第4步選中混合水出口的邊，第5步選中的邊界類型為Outflow，在第6步輸入名字outlet，創(chuàng)建出口邊界outlet步驟 6：網(wǎng)格文件的輸出 （10）導(dǎo)出網(wǎng)格文件用菜單明File:Export : Mesh，在彈出的對話框中輸入要導(dǎo)出網(wǎng)格文件的路徑和文件名后，按Accept按鈕，將網(wǎng)格文件導(dǎo)出最后用菜單命令File: Exit關(guān)閉Gambit回話，在退出之前，Gambit會問是否保存當(dāng)前的項(xiàng)目，點(diǎn)擊Yes將項(xiàng)目保存。2 用Fluent求解用Fluent求解包括導(dǎo)入和檢查網(wǎng)格、建立求解模型、設(shè)置邊界條件、求解、顯示計(jì)算結(jié)果等。步驟 1：網(wǎng)格文件的讀入、檢查及顯示 （1）網(wǎng)格的導(dǎo)入和

7、檢查及有關(guān)操作啟動(dòng)Fluent6后，在以下窗口中選2D求解器，后按Run，進(jìn)入Fluent。用菜單命令Flie: Read: Case，在打開對話框中，指定到在Gambit中導(dǎo)出的網(wǎng)格文件e:examplemixer.msh，點(diǎn)擊OK后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent中。Fluent讀入網(wǎng)格文件“mixer.msh”時(shí)，并菜單命令Grid: Check檢查網(wǎng)格。網(wǎng)格檢查列出了X,Y的最大和最小值，同時(shí)還報(bào)告了網(wǎng)格的其他特性，如單元格的最大體積、體積和最小體積、面積等，報(bào)告的最小體積不能為負(fù)值，否則Fluent無法進(jìn)行計(jì)算。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，可以用菜單命令Grid: Smooth/Swap平滑和交

8、換網(wǎng)格。在彈出對話框中點(diǎn)擊Smooth按鈕，再按Swap按鈕，重復(fù)操作，直到報(bào)告中無需要交換的面為止。No nodes moved, smoothing complete.Done.Number faces swapped: 0Number faces visited: 1520用菜單命令Grid: Scale確定長度單位，在彈出的對話框中將Grid Was Create in中選成cm，然后點(diǎn)擊Change Length Units 按鈕，最后點(diǎn)擊Scale按鈕，對話框顯示如下圖，最后按Close按鈕關(guān)閉對話框。最后用菜單命令Display: Grid，在對話框中按Display按鈕，將網(wǎng)格

9、顯示出來步驟 2：選擇計(jì)算模型 建立求解模型，包括選擇求解器、設(shè)置湍流模型、選擇能量方程等步驟。選擇求解器：菜單命令Define: Models: Solver，對話框顯示如下：Solver 求解器分為Segregated（分離）和Coupled（耦合）兩種；Formulation（算法）有Implicit（隱式算法）和Explicit顯式算法兩種；Space（空間屬性）有2D（二維空間）和Asisymmetric（軸對稱空間）Axisymmetric Swirl（軸對稱旋轉(zhuǎn)空間）三種；Time（時(shí)間屬性）分為Steady（定常流動(dòng)）和Unsteady（非定常流動(dòng)）兩種；Velocity Fo

10、rmulation（速度屬性）有Absolute（絕對）和Relative（相對）兩種；保持默認(rèn)設(shè)置不變，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對話框。設(shè)置湍流模型：用菜單命令Define: Models: Viscous對話框顯示如下： Inviscid表示無粘（理想）流體；Laminar表示層流模型；另外4個(gè)為常見的湍流模型。在這里選擇k-epsilon后，按OK按鈕，將顯示對話框如下，點(diǎn)擊OK保持默認(rèn)值。選擇能量方程：菜單命令Define: Models: Energy，打開對話框中，勾選上Energy Equation，并按確定按鈕。步驟 3：定義固體的物理性質(zhì)設(shè)置流體的物理屬性，可以從Fluent數(shù)據(jù)庫中選用

11、，也可以新建一種新流體，并且輸入流體的密度、等壓比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力粘度等物理屬性。用菜單命令Define: Materials顯示Materials對話框如下：右側(cè)按鈕Fluent Database選取數(shù)據(jù)庫中的流體，對話框顯示如下：在選擇water-liquid（H2O）后，流體的各物理屬性顯示在下，按Copy按鈕，再按Close按鈕關(guān)閉該對話框，此時(shí)Materials對話框中已經(jīng)顯示出復(fù)制的流體。按Change/Create按鈕將材料設(shè)置為water-liquid后，按Close按鈕關(guān)閉Materials對話框.步驟 4：設(shè)置邊界條件 用菜單命令Define: Boundary Cond

12、itions打開對話框如下，我們在Gambit設(shè)置的三個(gè)邊界類型inlet1、inlet2和Outlet之外，還有fluid（流體）和壁（wall）這兩種邊界屬性。左側(cè)欄中選中fluid，右側(cè)類型中選fluid，按Set按鈕，流體對話框顯示如下，將Material Name選擇water-liquid（這是我們剛才設(shè)置流體屬性時(shí)，從Fluent材料庫中復(fù)制過來的流體），然后按OK按鈕。左側(cè)欄選上inlet1按鈕，發(fā)現(xiàn)右側(cè)類型欄中為Veloctiy Inlet，這是我們在Gambit下設(shè)置的類型，按Set按鈕，在彈出的對話框中按下圖，設(shè)置該入口的邊界條件后按OK按鈕。用同樣的方法可以設(shè)置好out

13、let2的入口邊界條件，溫度為350K，其他與outlet相同。出口的邊界條件保持默認(rèn)值如下。壁面（wall）的邊界條件保持默認(rèn)值（熱流量為0）即可。設(shè)置完邊界條件后，點(diǎn)擊邊界條件對話框上的Close按鈕將其關(guān)閉。步驟 5：求解設(shè)置 求解過程包括流場初始化、設(shè)置監(jiān)視器、迭代計(jì)算等步驟流場的初始化：菜單命令Solver: Initialize: Initialize，對話框顯示中，選擇從inlet2開始計(jì)算如下：點(diǎn)擊Init按鈕進(jìn)行初始化之后，再點(diǎn)擊Close按鈕關(guān)閉該對話框。設(shè)置監(jiān)視窗口：在求解時(shí)，所關(guān)心的是出口的溫度、速度是否達(dá)到穩(wěn)定，為此Fluent可以設(shè)置監(jiān)視器，對所關(guān)心界面的物理量進(jìn)行

14、監(jiān)視。菜單命令Solver: Monitors: Surface，在監(jiān)視器對話框中設(shè)置如下圖：將Surface Monitors增加1之后，選上Plot，然后按Define按鈕，按照下圖設(shè)置，在定義監(jiān)視器對話框，設(shè)置成監(jiān)視outlet的平均重量加權(quán)溫度，并且在窗口中顯示出來。以上設(shè)置完成之后，可以通過用菜單命令File: Write: Case將該項(xiàng)目保存。以后如果需要打開該項(xiàng)目，可以通過菜單命令File: Read : Case將項(xiàng)目打開用菜單命令Solver:Iterate，在顯示的對話框中將Number of Iterations（迭代次數(shù)）輸入300次，點(diǎn)擊Iterate開始計(jì)算。設(shè)置

15、的監(jiān)視窗口顯示如下，在計(jì)算到約150次后出口截面上已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算完成。步驟 6：保存結(jié)果 用菜單命令File: Write: Case & Data，將項(xiàng)目和計(jì)算結(jié)果保存在一個(gè)文件夾中。如果以后再需要查看計(jì)算結(jié)果，用菜單命令File: Read: Case & Data就可以將項(xiàng)目的計(jì)算結(jié)果讀入后，用Display菜單命令將計(jì)算結(jié)果顯示出來。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理 通過Display: Contours命令，打開Contours對話框如下：在Contours of欄下選擇Temperure，按Display按鈕，則溫度分布圖顯示如下，如果將Options中的Filled（填充）去掉，則溫度分

16、布圖入右圖顯示。 用同樣方法，可以顯示壓力分布圖和速度分布圖如下： 用菜單命令Display: Velocity Vector，顯示速度矢量場，在彈出的對話框中按照如下選擇，并按Display按鈕得到用箭頭表示的速度矢量分布圖如下：此外，還可以創(chuàng)建出流口上的溫度分布XY圖。通過菜單命令Plot: XY Plot，在顯示的對話框中設(shè)置如下：其中Y軸的函數(shù)為溫度，Surface選上outlet，點(diǎn)擊Plot按鈕。得到出口的溫度XY分布圖如下：（7）二階離散化方法重新計(jì)算以上的求解計(jì)算使用的是是一階離散化方法。一般來說，其計(jì)算結(jié)果不如二姐離散化方法精度高，收斂性也不如二階離散化方法理想。下面介紹如何

17、使用使用二姐離散化方法求解。用菜單命令Solve: Controls: Solution，打開對話框如下，在Discretization（離散化方法）下Energy（能量）項(xiàng)選Second Order Upwind，在Under-Relaxaztion Factors（松弛系數(shù)）項(xiàng)的Energy項(xiàng)，由1降為0.8，其他項(xiàng)不變，點(diǎn)擊OK。菜單命令Solve: Iterate，在Iterate設(shè)置對話框中將Number of Iterations項(xiàng)輸入200，點(diǎn)擊Iterate，開始計(jì)算，監(jiān)視窗口顯示如下，表示在迭代了150次左右時(shí)溫度達(dá)到穩(wěn)定。用菜單命令Display: Contours，顯示求

18、解結(jié)果，顯示溫度分布圖，和原先的溫度分布圖比較可以發(fā)現(xiàn)，求解結(jié)果已經(jīng)得到改善。（8）自適應(yīng)網(wǎng)格修改功能混合器中的熱交換計(jì)算，還可以通過進(jìn)一步修改網(wǎng)格，使其更適合于流動(dòng)計(jì)算，達(dá)到更理想的擬合效果?？梢酝ㄟ^在現(xiàn)有計(jì)算的基礎(chǔ)上，以溫度梯度為基點(diǎn)來改善網(wǎng)格。首先確定溫度梯度的范圍。用菜單命令Display: Contours在顯示的對話框中，將Options中的Node Values選項(xiàng)不選中，按Display按鈕，顯示出溫度分布圖如下：發(fā)現(xiàn)各單元間邊界不光滑了，在準(zhǔn)備改進(jìn)網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)該先看一下單元的值，可以看出要進(jìn)行改進(jìn)的區(qū)域。在Contours of下拉列表中，選擇Adaption和Adaption

19、 Function，在Options項(xiàng)不選擇Node Value，點(diǎn)擊Display，得到溫度梯度顯示圖如下：在Options不選擇Auto Range，改版最小溫度梯度值，將Min設(shè)置為0.01，點(diǎn)擊Display，顯示出需要改進(jìn)的高溫度梯度的網(wǎng)格如下，這部分網(wǎng)格是我們需要改進(jìn)的網(wǎng)格。用菜單命令A(yù)dapt: Gradient打開對話框，在Gradient of 下來框中選中Temperature和Static Tempreature；在Option中不選Coarsen，即只細(xì)化修改網(wǎng)格而不粗糙化。點(diǎn)擊Compute，F(xiàn)luent將計(jì)算出溫度梯度的最大值和最小值，在Refine Threhold中輸入0.01，點(diǎn)擊Mark。 顯示即將細(xì)化的網(wǎng)格有82個(gè)：82 cells marked for refinement, 0 cells marked for coarsening點(diǎn)擊Manage，在打開的單元注冊對話框（Manage Adaption Registers）點(diǎn)擊Display。準(zhǔn)備要細(xì)化的網(wǎng)格的網(wǎng)格