fluent的一個(gè)實(shí)例(波浪管道的內(nèi)部流動(dòng)模擬)

1、基于FLUENT的波浪管道熱傳遞耦合模擬CFD可以對(duì)熱傳遞耦合的流體流動(dòng)進(jìn)行模擬。CFD模擬可以觀察到管道內(nèi)部的流動(dòng)行為和熱傳遞，這樣可以改進(jìn)波浪壁面復(fù)雜通道幾何形狀中的熱傳遞。目的：（1） 創(chuàng)建由足夠數(shù)量的完整波浪組成的波浪管道，提供充分發(fā)展條件；（2） 應(yīng)用周期性邊界條件創(chuàng)建波浪通道的一部分；（3） 研究不同湍流模型以及壁面函數(shù)對(duì)求解的影響；（4） 采用固定表面溫度以及固定表面熱流量條件，確定雷諾數(shù)與熱特性之間的關(guān)系。問題的描述：通道由重復(fù)部分構(gòu)成，每一部分由頂部的直面和底部的正弦曲面構(gòu)成，如圖。圖1 管道模型空氣的流動(dòng)特性如下：質(zhì)量流量： m=0.816kg/s;密度: =1kg/m3;

2、動(dòng)力粘度：=0.0001kg/(ms);流動(dòng)溫度： Tb=300K；流體其他熱特性選擇默認(rèn)項(xiàng)。流動(dòng)初試條件：x方向的速度=0.816m/s；湍動(dòng)能=1m2/s2;湍流耗散率=1105m2/s3。所有湍流模型中均采用增強(qiáng)壁面處理。操作過程：一、 完整波浪管道模型的數(shù)值模擬（1） 計(jì)算Re=uH/v=0.8161/ (0.0001/1) =8160Cf/2=0.0359Re-0.2=0.0359 (8160)-0.2=0.0059259y+=uty/vy=0.00159（2） 創(chuàng)建網(wǎng)格本例為波浪形管道，管道壁面為我們所感興趣的地方所以要局部細(xì)化。入口和出口處的邊界網(wǎng)格設(shè)置如圖。圖2 邊網(wǎng)格生成面網(wǎng)

3、格圖3 管道網(wǎng)格（3） 運(yùn)用Fluent進(jìn)行計(jì)算本例涉及熱傳遞耦合，所以在fluent中啟動(dòng)能量方程，如圖。圖4 能量方程 設(shè)定條件，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-e模型，近壁面處理選擇增強(qiáng)壁面處理。圖5 湍流模型設(shè)定材料，密度為1，動(dòng)力粘度改為0.0001如圖。圖6 材料設(shè)定設(shè)定邊界條件，入口速度為0.816，湍動(dòng)能為1，湍流耗散率為100000。出口為自由出口，壁面溫度為固定溫度分別為300k，500k。圖7 邊界條件初始化，并計(jì)算。圖8 殘差 殘差中的e和k并沒有減小，沒有達(dá)到10-3一下，并且由于網(wǎng)格很大，計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)。 圖9 壓力分布圖 隨著流體流動(dòng)，管道中壓力分布趨于平穩(wěn)，波浪管道中波谷的壓

4、力最低，在入口處的壓力較高。圖10 速度分布圖 從圖中可以看出，在管道7-11個(gè)波浪處，流動(dòng)已經(jīng)充分發(fā)展，貼近上壁處速度最大，在波谷出的速度最小，甚至接近于零。 圖11 溫度分布圖 貼近波浪壁面出的溫度較高，流動(dòng)充分發(fā)展后，由于換熱作用，管道后部流體溫度逐漸升高，在波峰與波谷之間的流體溫度最高，如圖。圖12 速度矢量圖 可以看出，波浪壁面出流體出現(xiàn)反流，在波谷出反流的流體最多，速度在波谷出最小，接近于0，出現(xiàn)滯留區(qū)。若要觀察波峰、波谷處流體流動(dòng)速度，需要在波峰、波谷處創(chuàng)建兩條直線，觀察直線上的速度。因?yàn)楣艿?-11節(jié)處流動(dòng)充分發(fā)展，所以在第十一節(jié)波峰、波谷處建立兩條直線，如圖。圖13 波峰、波

5、谷圖14 波峰、波谷的速度波峰貼近兩側(cè)壁面出的速度梯度很大，在管道中間速度隨高度增加而增加，在0.7m左右達(dá)到最大。波谷處靠近上壁面的速度梯度很大，但是由于有波谷存在，波谷處的速度梯度不大，在谷中速度先增大再減小，在0處左右達(dá)到最下，隨后逐漸增加，在0.7m高度左右速度最大。高度在0.5m處以上波峰波谷處的速度基本相等。二、 周期性波浪管道模型的數(shù)值模擬圖15 周期性網(wǎng)格網(wǎng)格密度與完全管道網(wǎng)格相同。在fluent中輸入以下指令，創(chuàng)建周期性網(wǎng)格。/grid modify-zones/grid/modify-zones make-periodicPeriodic zone () inletShad

6、ow zone () outletRotational periodic? (if no, translational) yes noCreate periodic zones? yes yesAuto detect translation vector? yes yescomputed translation deltas: 1.000000 0.000000all 100 faces matched for zones 6 and 5.zone 5 deletedcreated periodic zones./grid/modify-zones邊界條件中可以看到已經(jīng)沒有outlet，inl

7、et也變成了periodic周期性的。這里要設(shè)置周期性邊界條件。質(zhì)量流量為0.816，其他設(shè)置與之前相同。圖16 邊界條件圖17 殘差 Energy并不收斂，反而隨計(jì)算而發(fā)散。其他參數(shù)都收斂。計(jì)算量很小，計(jì)算速度明顯提高。圖18 壓力圖圖18 壓力圖 速度圖 溫度圖 速度矢量圖管道中間壓力最大并比較均勻，在波浪波谷出壓力最低。溫度分布不太正確。圖19 波峰波谷速度圖波峰貼近兩側(cè)壁面出的速度梯度很大，與完全模型相似，波峰在管道中間速度隨高度增加先增加在減小，但是變化不大，其他分布趨勢(shì)與完全模型相似。 圖20 周期模型與完全模型波峰速度圖比較 周期性模型，管道中速度基本相等，沒有呈現(xiàn)完全模型的變化

8、趨勢(shì)。圖21 周期模型與完全模型波谷速度圖比較 兩模型的波谷速度的變化趨勢(shì)大致相同，在小于0.3m處，周期性模型速度大于完全模型，0.3m之后，周期性模型速度小于完全管道模型。三、 周期性波浪管道不同湍流模型的數(shù)值模擬應(yīng)用周期模型，再選分別應(yīng)用RNG與Realizable湍流模型計(jì)算。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖。圖21 RNG模型波峰波谷速度圖圖22 Realizable模型波峰波谷速度圖將之前的數(shù)據(jù)放在一起進(jìn)行比較。圖23 不同湍流模型波峰速度圖圖24 不同湍流模型波谷速度圖 從圖中可以看出realizable和標(biāo)準(zhǔn)k-e模型波峰的速度分布大致相同，RNG模型與完全模型更接近，變化更大。三種湍流模型波谷的速度分布與波峰分布特點(diǎn)相似。四、 整體模型壁面采用固定熱流率的數(shù)值模擬重新選用整體模型，只需改變波浪面即wall2的邊界條件即可，改為熱流率1000w/m2，其他條件不變。圖25 不同湍流模型波谷速度圖圖26 固定壁面溫度與固定熱流率波峰速度圖比較圖27 固定壁面溫度與固定熱流率波谷速度圖比較從圖中可以看出固定壁面溫度與固定熱流率波峰與波谷的速度分布還是比較相似的，不同的是在0.6m處固定熱流率波峰波谷速度比固定壁面溫度的速度稍高，在0.6m之后