冷熱水混合器內(nèi)的滾動(dòng)與熱交換模擬(fluent)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——冷熱水混合器內(nèi)的滾動(dòng)與熱交換模擬(fluent)試驗(yàn)十冷熱水混合器內(nèi)的滾動(dòng)與熱交換模擬

一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）熟悉Gambit和Fluent的用戶(hù)界面和操作；（2）學(xué)會(huì)使用Gambit建模和劃分網(wǎng)格；

（3）學(xué)會(huì)使用Fluent求解器進(jìn)行求解，并顯示計(jì)算結(jié)果

二、試驗(yàn)原理

一個(gè)冷熱水混合器的內(nèi)部滾動(dòng)與熱量交換問(wèn)題?；旌掀鞯拈L(zhǎng)寬均為20cm，，上部帶3cm的圓角，溫度為T(mén)=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、試驗(yàn)步驟

1利用Gambit建立計(jì)算模型

步驟1：?jiǎn)?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：mixer.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)立幾何圖形

（3）創(chuàng)立坐標(biāo)網(wǎng)格

依照下圖1~5創(chuàng)立坐標(biāo)網(wǎng)格，先創(chuàng)立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)1~5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作區(qū)調(diào)整至顯示出整個(gè)網(wǎng)格。

（4）確定不同類(lèi)型邊界的交點(diǎn)和圓弧中心點(diǎn)

工具按鈕，使

Ctrl+鼠標(biāo)右鍵，在坐標(biāo)網(wǎng)格上如上圖所示，創(chuàng)立出所需要的各點(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(guò)點(diǎn)的復(fù)制來(lái)創(chuàng)立各個(gè)小管嘴外側(cè)的點(diǎn)。

依照下圖1~5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(lái)點(diǎn)Y方向上+3的位置。

重復(fù)1~5步驟，創(chuàng)立下側(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(lái)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下：

按鈕，使工作區(qū)調(diào)整至顯示整個(gè)網(wǎng)格如

（5）隱蔽坐標(biāo)網(wǎng)格顯示

依照下圖1~4將坐標(biāo)網(wǎng)格線隱蔽，以便于后面的操作。

（6）由點(diǎn)創(chuàng)立直線和圓弧線

依照下圖1~4步驟創(chuàng)立出一條直線，第3步Shift+鼠標(biāo)左鍵，選中直線兩段的點(diǎn)

重復(fù)1~4步驟，創(chuàng)立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)立的直線時(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1~7步驟分別創(chuàng)立混合器的兩段圓弧圓弧，

（7）由線組成面

按下圖，1~4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，必需能構(gòu)成一個(gè)封閉的空間。

依照同樣方法重復(fù)1~4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依照一定的方式劃分，依照右圖1~6

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(lèi)型為intervalcount，即依照個(gè)數(shù)劃分。

重復(fù)操作以上1~6步驟依照下圖的數(shù)目，將一個(gè)面的組成各線進(jìn)行等分劃分。

依照下圖1~4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

依照上述同樣的操作，將小管嘴矩形兩邊劃分成5等分，最終劃分網(wǎng)格如下。

步驟4：邊界條件類(lèi)型的指定（9）設(shè)置邊界類(lèi)型

依照右圖1~7步驟設(shè)置邊界類(lèi)型注意：第3步要用鼠標(biāo)右鍵選Edges類(lèi)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(lèi)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)1~7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)立冷水入口inlet2。重復(fù)1~7步驟，在第4步選中混合水出口的邊，第5步選中的邊界類(lèi)型為Outflow，在第6步輸入名字outlet，創(chuàng)立出口邊界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(duì)話(huà)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

最終用菜單命令File:Exit關(guān)閉Gambit回話(huà)，在退出之前，Gambit會(huì)問(wèn)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…，在開(kāi)啟對(duì)話(huà)框中，指定到在Gambit中導(dǎo)出的網(wǎng)格文件e:\\example\\mixer.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(wú)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平滑和交換網(wǎng)格。在彈出對(duì)話(huà)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(wú)需要交換的面為止。

Nonodesmoved,smoothingcomplete.Done.

Numberfacesswapped:0Numberfacesvisited:1520

用菜單命令Grid:Scale確定長(zhǎng)度單位，在彈出的對(duì)話(huà)框中將GridWasCreatein中選成cm，然后點(diǎn)擊ChangeLengthUnits按鈕，最終點(diǎn)擊Scale按鈕，對(duì)話(huà)框顯示如下圖，最終按Close按鈕關(guān)閉對(duì)話(huà)框。

最終用菜單命令Display:Grid，在對(duì)話(huà)框中按Display按鈕，將網(wǎng)格顯示出來(lái)

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(duì)話(huà)框顯示如下：

Solver求解器分為Segregated（分開(kāi)）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(duì)稱(chēng)空間）AxisymmetricSwirl（軸對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)空間）三種；

Time（時(shí)間屬性）分為Steady（定常滾動(dòng)）和Unsteady（非定常滾動(dòng)）兩種；VelocityFormulation（速度屬性）有Absolute（絕對(duì)）和Relative（相對(duì)）兩種；

保持默認(rèn)設(shè)置不變，點(diǎn)擊OK關(guān)閉對(duì)話(huà)框。

設(shè)置湍流模型：用菜單命令Define:Models:Viscous對(duì)話(huà)框顯示如下：

Inviscid表示無(wú)粘（理想）流體；Laminar表示層流模型；另外4個(gè)為常見(jiàn)的湍流模型。在這里選擇k-epsilon后，按OK按鈕，將顯示對(duì)話(huà)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，開(kāi)啟對(duì)話(huà)框中，勾選上EnergyEquation，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(kù)中選用，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(duì)話(huà)框如下：

右側(cè)按鈕FluentDatabase選取數(shù)據(jù)庫(kù)中的流體，對(duì)話(huà)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(duì)話(huà)框，此時(shí)Materials對(duì)話(huà)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(duì)話(huà)框.

步驟4：設(shè)置邊界條件

用菜單命令Define:BoundaryConditions…開(kāi)啟對(duì)話(huà)框如下，我們?cè)贕ambit設(shè)置的三個(gè)邊界類(lèi)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(lèi)型中選fluid，按Set按鈕，流體對(duì)話(huà)框顯示如下，將MaterialName選擇water-liquid（這是我們方才設(shè)置流體屬性時(shí)，從Fluent材料庫(kù)中復(fù)制過(guò)來(lái)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(lèi)型欄中為VeloctiyInlet，這是我們?cè)贕ambit下設(shè)置的類(lèi)型，按Set按鈕，在彈出的對(duì)話(huà)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outlet2的入口邊界條件，溫度為350K，其他與outlet

一致。

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(duì)話(huà)框上的Close按鈕將其關(guān)閉。

步驟5：求解設(shè)置

求解過(guò)程包括流場(chǎng)初始化、設(shè)置監(jiān)視器、迭代計(jì)算等步驟

流場(chǎng)的初始化：菜單命令Solver:Initialize:Initialize…，對(duì)話(huà)框顯示中，選擇從inlet2開(kāi)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(duì)話(huà)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(duì)所關(guān)心界面的物理量進(jìn)行監(jiān)視。

菜單命令Solver:Monitors:Surface，在監(jiān)視器對(duì)話(huà)框中設(shè)置如下圖：

將SurfaceMonitors增加1之后，選上Plot，然后按Define按鈕，依照下圖設(shè)置，在定義監(jiān)視器對(duì)話(huà)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(lái)。

以上設(shè)置完成之后，可以通過(guò)用菜單命令File:Write:Case…將該項(xiàng)目保存。以后假使需要開(kāi)啟該項(xiàng)目，可以通過(guò)菜單命令File:Read:Case…將項(xiàng)目開(kāi)啟

用菜單命令Solver:Iterate…，在顯示的對(duì)話(huà)框中將NumberofIterations（迭代次數(shù)）輸入300次，點(diǎn)擊Iterate開(kāi)始計(jì)算。

設(shè)置的監(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。假使以后再需要查看計(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(lái)。

七、試驗(yàn)結(jié)果處理

通過(guò)Display:Contours命令，開(kāi)啟Contours對(duì)話(huà)框如下：

在Contoursof欄下選擇Temperure，按Display按鈕，則溫度分布圖顯示如下，假使將Options中的Filled（填充）去掉，則溫度分布圖入右圖顯示。

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:VelocityVector，顯示速度矢量場(chǎng)，在彈出的對(duì)話(huà)框中依照如下選擇，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)立出流口上的溫度分布XY圖。通過(guò)菜單命令Plot:XYPlot，在顯示的對(duì)話(huà)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(lái)說(shuō)，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。下面介紹如何使用使用二姐離散化方法求解。

用菜單命令Solve:Controls:Solution…，開(kāi)啟對(duì)話(huà)框如下，在Discretization（離散化方法）下Energy（能量）項(xiàng)選SecondOrderUpwind，在Under-RelaxaztionFactors（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(duì)話(huà)框中將NumberofIterations項(xiàng)輸入200，點(diǎn)擊Iterate，開(kāi)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(guò)進(jìn)一步修改網(wǎng)格，使其更適合于滾動(dòng)計(jì)算，達(dá)到更理想的擬合效果?？梢酝ㄟ^(guò)在現(xiàn)有計(jì)算的基礎(chǔ)上，以溫度梯度為基點(diǎn)來(lái)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(duì)話(huà)框中，將Options中的NodeValues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)率先看一下單元的值，可以看出要進(jìn)行改進(jìn)的區(qū)域。

在Contoursof下拉列表中，選擇Adaption…和AdaptionFunction，在Options項(xiàng)不選擇NodeValue，點(diǎn)擊Display，得到溫度梯度顯示圖如下：

在Options不選擇