流體與傳熱數(shù)值計算大作業(yè)

1、1.研究對象：冷、熱水換熱器問題描述：一個冷、熱水混合器的內(nèi)部流動與熱量交換問題。溫度為T=350k的熱水自上部的熱水小管嘴流入，與自下部右側(cè)小管嘴流入的溫度為290k的冷水在混合器內(nèi)部混合進(jìn)行熱量與動量交換后，自下部左側(cè)小管嘴流出?；旌掀鹘Y(jié)構(gòu)如下圖1-1所示。輸入條件：熱水溫度Tr=350K,熱水入口速度vr=10m/s;冷水溫度Tl=290K,冷水入口速度vl=10m/s; 圖1.1 換熱器簡圖2.利用GAMBIT建立計算模型2.1創(chuàng)建混合器網(wǎng)格圖打開gambit，選擇fluent5/6求解器，首先在工作區(qū)建立20*20的網(wǎng)格，再根據(jù)模型的幾何尺寸要求，確定出不同類型邊界的交點(diǎn)及圓弧中心點(diǎn)

2、。再由節(jié)點(diǎn)逐步建立出混合器的壁面及各個小管嘴，最終建成各個面，從而生成換熱器的幾何模型。打開“mesh edges”,選取邊線，對各個線的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新剖分。在“edges”選中取邊界線LA,CD,FG,GH,KL,在“interval count”中填入15，將各條邊分成15份。同樣操作，其它邊分成5分。完成上述工作后，可查看網(wǎng)格劃分情況，如圖2.1所示： 圖2-1 換熱器網(wǎng)格圖2.2設(shè)置邊界類型如圖1.1所示，這個換熱器的邊界主要就是入口邊界與出口邊界需要設(shè)置，入口邊界有冷水入口ST與熱水入口UV，出口邊界只有冷熱水混合后出流口PQ，因此打開”ZONES”中“Specify Bounda

3、ry Type”對話框，在“Action”項(xiàng)選add,創(chuàng)建名稱“inlet1”，并選擇“velcocity inlet”類型，最后選取邊界線ST，點(diǎn)擊Apply,這樣就設(shè)置了ST的邊界類型，類似的操作，可設(shè)置邊界UV和PQ的邊界類型分別為“inlet2”“outlet”。設(shè)置結(jié)果如圖2.2所示： 圖2.2邊界類型設(shè)置對話框至此保存，并選擇File/Export/Mesh命令，選中Export 2D Mesh輸出mixowwang.msh文件，該文件可直接有Fluent讀入。3.換熱器內(nèi)部流動與換熱的仿真計算3.1對網(wǎng)格進(jìn)行處理1）以二維單精度方式啟動Fluent，讀入網(wǎng)格文件mixowwang

4、.msh，這樣就完成了網(wǎng)格文件的輸入操作。2）選擇Grid中Check,對網(wǎng)格進(jìn)行檢查，網(wǎng)格檢查列出了x,y的最小值和最大值，也報告出了網(wǎng)格的其它特性，如單元的最大體積，最小體積，最大面積與最小面積等，同時網(wǎng)格檢查還會報告有關(guān)網(wǎng)格的任何錯誤，若存在錯誤，fluent將無法進(jìn)行計算。3）平滑網(wǎng)格。對網(wǎng)格進(jìn)行平滑操作，可進(jìn)一步確保網(wǎng)格質(zhì)量。4）確定長度的單位。由于進(jìn)入Fluent后，其默認(rèn)的長度單位是m，而在Gambit下構(gòu)建網(wǎng)格時使用的是cm，所以要在Grid中的Scale中將網(wǎng)格的長度單位改為cm。3.2設(shè)置求解模型選擇非耦合（Segragated）求解法，并使用隱式算法（Implicit）,

5、空間屬性顯然是二維，由于流體在換熱器內(nèi)的流動情況可以按穩(wěn)態(tài)問題處理，所以時間屬性為定常流動（Steady）。采用絕對速度公式。冷水與熱水在換熱器內(nèi)混合形成湍流，計算時應(yīng)當(dāng)設(shè)置為湍流模型，這里選擇k-湍流模型。k-雙方程模型適合絕大多數(shù)的工程湍流模型，其中k為湍動能，定義為速度波動的變化量，其單位是m2/s2。為湍動能耗散，即指速度波動耗散的速度，其單位是單位時間的湍動能，m2/s3。其控制方程如下：連續(xù)方程：動量方程：湍動能方程：湍動能耗散方程：并選擇能量方程：tE+xiuiE+p=xikeffTxi-j'hj'Jj'+ujijeff+Sh連續(xù)方程：動量方程：tUi+x

6、juiuj=-pxi+ijcj+gi+Fi其中 ij=uixj+ujxi-23ulxlij定解條件：將邊界條件（兩個入口溫度與流速）在fluent中設(shè)置好了以后，對流場進(jìn)行初始化，熱水入口（inlet2）開始，對內(nèi)部流動設(shè)置出一個猜測的初始值，然后進(jìn)行迭代計算，如果迭代收斂，則表明定解，如果發(fā)散，則沒有定解。3.3設(shè)置流體物理屬性及邊界條件1）創(chuàng)建新流體，取名為water。并在屬性欄內(nèi)輸入流體的各項(xiàng)物理參數(shù)：Density(密度)：1000；Cp（等壓比熱）：4216；Thermal Conductivity（導(dǎo)熱系數(shù)）：0.667；Viscosity（動力粘度）：8e-4。點(diǎn)擊Change/

7、Create，在彈出的對話框中選No，這就使名為water的流體添加到材料選擇列表中。2）設(shè)置邊界條件。1、設(shè)置流體。打開“Boundary Conditions”，在區(qū)域標(biāo)識欄（zone）中選擇流體（fluid）,設(shè)置（set）,并在Material Name下拉列表中選擇water.2、設(shè)置冷（熱）水入口邊界條件。在zone欄中選擇inlet1，點(diǎn)擊設(shè)置，在Velocity Specification Method（速度給定方式）下拉列表中選擇Magnitude Normal to Boundary（給定速度大小，速度方向垂直邊界）。在Velocity Magnitude（入口速度）輸入1

8、0，在湍流定義方法中選擇強(qiáng)度與水力直徑，湍流強(qiáng)度一欄中走入5，水力直徑中填入2。用同樣的方法設(shè)置熱水入口邊界條件。3、為出流口設(shè)置邊界條件。在zone欄內(nèi)選擇outlet，再點(diǎn)擊Set，打開Outflow對話框，保持默認(rèn)值，確認(rèn)。對于壁面，也選擇默認(rèn)值。3.4求解計算1）流場初始化。從Solver中打開Solution Initiation，在Compute from列表中選擇inlet2，即從入口2開始計算，則表中數(shù)據(jù)與邊界inlet2相同。鑒于初始化僅僅是對內(nèi)部流動的一個猜測值，可以對其數(shù)值進(jìn)行更改，其結(jié)果影響到迭代計算的收斂速度。點(diǎn)擊int，關(guān)閉對話框。2）設(shè)置監(jiān)視器窗口，監(jiān)測特殊截面上

9、物理量的變化。在出口處，所關(guān)心的是溫度、速度是否達(dá)到穩(wěn)定值，為此，可以設(shè)置監(jiān)視器，對所關(guān)心的截面和物理量進(jìn)行監(jiān)測。這里，所關(guān)心的截面是出口outlet，所以在surface項(xiàng)選擇監(jiān)測表面為outlet；Report of 中選擇溫度。3）設(shè)置求解控制參數(shù)。由于求解器中默認(rèn)的是一階離散化方法，而在流體計算中要求解非線性方程，為改善求解精度，應(yīng)將能量方程改成二階迎風(fēng)格式，其他均采用一階格式。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。將能量方程的松弛系數(shù)由1改為0.8，其余保持不變。4）迭代計算。迭代次數(shù)設(shè)為300次。單擊Iterate按鈕，進(jìn)行迭代計算計算結(jié)果如圖3.1所示，達(dá)到規(guī)定的收斂精度，完成數(shù)值

10、計算。圖3.1出口平均溫度變化曲線由監(jiān)測曲線可以明顯看出，迭代計算到200次以后，出口截面上的平均溫度已經(jīng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)了。5）顯示計算結(jié)果：在Fluent中生成的流場計算結(jié)果如下圖3.2、3.3、3.4、3.5、3.6所示。圖3.2與3.3分別是換熱器內(nèi)部的速度分布圖及速度矢量圖；圖3.4與3.5分別為溫度分布圖及溫度等值線圖；圖3.6為換熱器內(nèi)的等壓線圖；圖3.2 速度分布圖圖3.3 速度矢量圖圖3.4 溫度分布圖圖3.5 溫度等值線圖圖3.6 換熱器內(nèi)等壓線圖3.5改進(jìn)網(wǎng)格并進(jìn)行再計算換熱器內(nèi)部流動與熱交換計算還可以進(jìn)一步得到改善，這可通過進(jìn)一步改善網(wǎng)格使其更適合流動計算。現(xiàn)在，可以在

11、目前求解的基礎(chǔ)上，以溫度梯度為基點(diǎn)來改善網(wǎng)格。在改動網(wǎng)格之前，應(yīng)該先確定溫度梯度的范圍，一旦得到改進(jìn)，即可繼續(xù)計算。1） 繪制用于改進(jìn)網(wǎng)格的溫度梯度圖。在Contours of下拉列表中選擇Adaption和Adaption Function；在Options下不選Node Values，點(diǎn)擊Display，即可得到溫度梯度圖如圖3.7所示。2） 在一定范圍內(nèi)繪制溫度梯度，標(biāo)出需要改進(jìn)的單元。在Options下不選Auto Range，由此以改變最小溫度梯度值。再將最小變量由1改為0.01，點(diǎn)擊Display，得到圖3.8，有顏色的網(wǎng)格就是高梯度范圍，應(yīng)予以改進(jìn)。3） 對高溫度梯度內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行

12、改進(jìn)。打開Gradient Adaption，在Gradient of 下拉列表中選擇Temperature，不選擇Coarsen，僅執(zhí)行網(wǎng)格修改功能；點(diǎn)擊Compute,將修正最大及最小值；并在Refine Threshold項(xiàng)輸入0.01，點(diǎn)擊Mark,再點(diǎn)擊Manage，Display，再點(diǎn)擊Adapt,并確認(rèn)，從而就可以得到改進(jìn)后的網(wǎng)格。如圖3.9所示。 圖3.7 換熱器內(nèi)的溫度梯度 圖3.8溫度梯度較高的單元 圖3.9 改進(jìn)后的網(wǎng)格圖4） 繼續(xù)進(jìn)行300次迭代計算，計算結(jié)果如圖3.10所示：圖3.10 出口截面上的溫度變化曲線再次查看溫度分布情況，如圖3.11及3.12所示：圖3.11 充填方式顯示的溫度分布圖圖3.12等值線方式顯示的溫度分布圖4結(jié)果分析及結(jié)論 上述的內(nèi)容主要研究了冷、熱水在混合器內(nèi)混合后，出口的溫度，流速等情況。本問題中，由于物性參數(shù)是常數(shù)，故流場和溫度場沒有耦合。對此，更有效的方法是先計算流場（即求解時不取能量方程），然后再計算能