管內(nèi)流動的模擬(fluent).

1、模型模型管的直徑為，長度。幾何模型是對稱的，因此只對管道的一半進行模擬。水以的速度從進口邊界進入。流動雷諾數(shù)為。1 建立模型及網(wǎng)格劃分1 建立模型及網(wǎng)格劃分的步驟在此處暫時省略，以后后機會再補上。這里直接讀入網(wǎng)格文件pipe.msh，開啟Fluent 3D雙精度求解器（Double Precision），（這里是典型的狹長管道，需要開啟雙精度求解器）。2 讀入網(wǎng)格后應(yīng)檢查網(wǎng)格及網(wǎng)格尺寸，通過Mesh下的Check和Scale進行實現(xiàn)，這里不做詳細描述。2 求解模型的設(shè)定1 求解器設(shè)置。這里保持默認的求解參數(shù)，即基于壓力的求解器定常求解。下面說一說Pressure-based和Density-b

2、ased的區(qū)別：a. Pressure-Based Solver是Fluent的優(yōu)勢，它是基于壓力法的求解器，使用的是壓力修正算法，求解的控制方程是標量形式的，擅長求解不可壓縮流動，對于可壓流動也可以求解；Fluent 6.3以前的版本求解器，只有Segregated Solver和Coupled Solver，其實也Pressure-Based Solver的兩種處理方法；b. Density-Based Solver是Fluent 6.3新發(fā)展出來的，它是基于密度法的求解器，求解的控制方程是矢量形式的，主要離散格式有Roe，AUSM+，該方法的初衷是讓Fluent具有比較好的求解可壓縮流動

3、能力，但目前格式?jīng)]有添加任何限制器，因此還不太完善；它只有Coupled的算法；對于低速問題，他們是使用Preconditioning方法來處理，使之也能夠計算低速問題。Density-Based Solver下肯定是沒有SIMPLEC，PISO這些選項的，因為這些都是壓力修正算法，不會在這種類型的求解器中出現(xiàn)的；一般還是使用Pressure-Based Solver解決問題?；趬毫Φ那蠼馄鬟m用于求解不可壓縮和中等程度的可壓縮流體的流動問題。而基于密度的求解器最初用于高速可壓縮流動問題的求解。雖然目前兩種求解器都適用于各類流動問題的求解（從不可壓縮流動到高度可壓縮流動），但對于高速可壓縮流動

4、而言，使用基于密度的求解器通常能獲得比基于壓力的求解器更為精確的結(jié)果。2 流動模型設(shè)置。這里使用的是湍流模型，Define/Models/Viscous。a. 這里我們使用的湍流模型是Standard 模型，這種模型應(yīng)用較多，計算量適中，有較多數(shù)據(jù)積累和比較高的精度，對于曲率較大和壓力梯度較強等復雜流動模擬效果欠佳。一般工程計算都使用該模型，其收斂性和計算精度能滿足一般的工程計算要求，但模擬旋流和繞流時有缺陷。b. 壁面函數(shù)的選擇，我們這里選擇的是，增強壁面函數(shù)法。其不依賴壁面法則，對于復雜流動，特別是低雷諾數(shù)流動很合適。其缺點在于，要求網(wǎng)格密，因而要求計算機處理時間長，內(nèi)存大。（這里選擇增強

5、壁面函數(shù)，并沒有說明原因，我認為是考慮雷諾數(shù)較小的緣故。）3 材料物性設(shè)置設(shè)置材料為water-liquid(h20)，Define/Materials，這里不再詳述。4 計算域設(shè)置一般來講，計算域與邊界條件在建模時已確定，這里只是根據(jù)具體需要，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。計算域在這里默認，Define/Cell Zone Conditions，設(shè)定流體介質(zhì)為液態(tài)水。5 邊界條件設(shè)置1 設(shè)置進口的邊界條件。從Zone列表中選擇inlet，并設(shè)置Type為velocity-inlet。再單擊Edit彈出Velocity Inlet對話框。Momentum設(shè)置：設(shè)置入口速度為，而Specification Me

6、thod中的設(shè)置如圖。在Turbulence Specification Method （湍流定義方法）下拉列表中，可以簡單地用一個常數(shù)來定義湍流參數(shù)，即通過給定湍流強度、湍流粘度比、水力直徑或湍流特征長在邊界上的值來定義流場邊界上的湍流。這里選擇Intensity and Hydraulic Diameter，湍流強度與水力直徑的確定有相應(yīng)的計算方法，這里只是采用估算來加以確定。計算雷諾數(shù)：，可求得為本文給出了Turbulent Intensity的計算公式：Turbulent Intensity，可得到其值為4.8（暫未理解該公式，留予以后討論）2 設(shè)置出口的邊界條件。從Zone列表中選擇

7、outlet，并設(shè)置Type為pressure-outlet。再單擊Edit彈出Pressure Outlet對話框。壓強出口邊界條件在流場出口邊界上定義靜壓，而靜壓的值僅在流場為亞聲速時使用。如果在出口邊界上流場達到超音速，則邊界上的壓強將從流場內(nèi)部通過差值得到。其他流場變量均從流場內(nèi)部通過插值獲得。Momentum設(shè)置：使用默認的表壓參數(shù)值，因為出口為大氣壓，而Specification Method中的設(shè)置如圖。而對于模型，這里的紊流參數(shù)和前面相同，設(shè)置如圖：6 求解1 Solution Methods：在Momentum、Turbulent Kinetic Energy和Turbule

8、nt Dissipation Rate 下拉列表中均選擇Second Order Upwind，因為流場并不復雜，所以用戶可以直接使用高階格式。如果是復雜流動，則推薦使用一階格式獲得收斂后，再設(shè)置離散格式為高階格式。2 Solution Initialization：對于穩(wěn)態(tài)問題，計算的初始化并不顯得那么重要，這里只將Compute from下拉列表中選擇inlet，然后點擊Initialize按鈕。3 激活殘差圖，并設(shè)置收斂標準。Solve/Monitors/Residuals，在所有方程式的Absolute Criteria文本框中輸入1e-06。4 Run Calculation：設(shè)置迭

9、代步數(shù)，開始迭代，這里設(shè)置為400。7 后處理1 創(chuàng)建等值面圖。Surface/Iso-Surface，從From Surface列表中選擇symmetry，從Surface of Constant下拉列表中選擇Mesh和X-Coordinate，在Iso-Values文本框中輸入0，在New Surface Name文本框中輸入centre-line，這個面顯示沿管道軸線的速度變化。創(chuàng)建另一個平面x-0，不選擇From Surface列表中的symmetry，在New Surface Name文本框中輸入x-0創(chuàng)建XY圖Display/Plots/XY Plot單擊Set Up按鈕，彈出So

10、lution XY Plot對話框，從Surfaces列表中選擇centre-line，設(shè)置Plot Direction為X=0，Y=0和Z=1,從Y Axis Function下拉列表中選擇Velocity和Z Velocity，單擊Axes按鈕，彈出Axes-Solution XY Plot對話框，勾選Options選項組中的Major Rules復選框和Minor Rules復選框，同理對Y軸也做同樣操作，最后單擊Plot。如圖所示的速度圖可以用來計算管道入口段的長度，速度達到99.9%時的距離即為入口段長度。由以上計算得到的圖，入口段長度為（此處計算結(jié)果并不是這樣，原因有待于進一步研究

11、），這與本書參考文獻的報告值相符。計算出口的摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)被用以表示管道的壓降，其定義為：其中為沿管道長度的壓降，為管道直徑，為管道橫截面的平均速度，為流體密度壓力平衡后，剪切力使該式的形式變?yōu)椋菏街?，為壁面的剪切?yīng)力。創(chuàng)建壁面和出口交界面的線。Surface/Iso-Surface從From Surface列表中選擇wall，從Surface of Constant下拉列表中選擇Mesh和Z-Coordinate，在Iso-Values文本框中輸入20，在New Surface Name文本框中輸入wall-outlet。報告面積分Report/Result Reports/Surface

12、 Integrals計算出口的平均剪切應(yīng)力，從Report Type下拉列表中選擇Area-Weighted Average，從Field Variable下拉列表中選擇Wall Fluxes和Wall Shear Stress，從Surfaces列表中選擇wall-outlet，單擊Compute。Area Weighted Average(pascal)中顯示的剪切力值為0.00085945718計算出口的平均速度從Report Type下拉列表中選擇Mass-Weighted Average，從Field Variable下拉列表中選擇Velocity和Z Velocity，從Surfa

13、ces列表中選擇outlet，單擊Compute。Mass-Weighted Average(m/s)中顯示平均速度值。摩擦應(yīng)力以下式計算2 顯示壁面Y+的值。Display/Graphics and Animation/Contours，設(shè)置如圖結(jié)果如圖大多數(shù)計算域的Y+值大于5（這里似乎并不是這樣），除了進口附近節(jié)點以外。這表明增強型壁面處理方式作為壁面函數(shù)是可以接受的。3 激活鏡像平面，查看完整幾何模型。Display/Views，從Mirror Planes列表中選擇symmetry，單擊Apply，如圖。4 顯示平面的速度云圖。Display/Graphics and Animation/Contours，設(shè)置如圖結(jié)果如圖5 創(chuàng)建等值面，并顯示該平面的速度云圖。其中Draw Profiles是將速度分布以側(cè)面顯示出來。圖形如圖6 創(chuàng)建動畫。Display/Graphics and Animation/Scene Animation單擊add按鈕，第一個名為Key-1的幀將被添加到Keys列表中。設(shè)置動畫幀，Display/Scene，從Names列表中選擇profile-8-velocity-magnitude，單擊Iso-Value對話框。在Value中輸入10，單擊Apply按鈕。在Animate面板中的Frame中輸入150，單擊Add按鈕