冷热水混合器内的流动与热交换模拟fluent讲解

1、实验十 冷热水混合器内的流动与热交换模拟 、实验目的 1）熟悉 Gambit 和 Fluent 的用户界面和操作； 2）学会使用 Gambit 建模和划分网格； 3）学会使用 Fluent 求解器进行求解，并显示计算结果 20cm， 下部右 自下部 、实验原理 一个冷热水混合器的内部流动与热量交换问题。混合器的长宽均为 上部带 3cm 的圆角，温度为 T=350K 的热水自上部的热水管嘴流入，与 侧的管嘴流入的温度为 290K 的冷水再混合器内进行热量与动量交换后， 左侧的小管嘴流出 三、实验步骤 1 利用 Gambit 建立计算模型 步骤 1：启动 Gambit 软件并建立新文件 启动 Ga

2、mbit 并且建立一个新的项目文件，文件名： mixer.dbs （2）选择求解器 用菜单命令 Solver: FLUENT5/6 选择求解器为 Fluent6. 步骤 2：创建几何图形 3）创建坐标网格 按照下图 15创建坐标网格，先创建 X 坐标的网格，在第 3 步选择 X，完 成4、5步骤后，再重复 15步骤，在第 3步选择 Y，最终得到 XY 从-10到10 的坐标网格。 工具按钮，使 发现工作区的网格显示不完全，我们可以按右下角的 工作区调整至显示出整个网格。 （4）确定不同类型边界的交点和圆弧中心点 Ctrl+鼠标右键，在坐标网格上如上图所示，创建出所需要的各点 （5）复制点 除了

3、以上各点之外，每个小管嘴还需要外侧的 2 个点，我们可以通过点的复 制来创建各个小管嘴外侧的点。 按照下图 15的步骤，执行完第 4 步时，用 Shift+鼠标左键选上所要复制的 两个点，在第 6 步输入点要复制到的位置，上部管嘴外侧的点是原来点 Y 方向 上+3的位置。 重复 15 步骤，创建下侧的两个小管嘴外侧的点，下侧小管嘴复制到在原来 点 Y 方向上移动 -3 的位置。 复制完毕之后按按右下角的 下： 按钮， （5）隐藏坐标网格显示 按照下图 14 将坐标网格线隐藏，以便于后面的操作 （6）由点创建直线和圆弧线 按照下图 14步骤创建出一条直线，第 3步 Shift+鼠标左键，选中直线

4、两段 的点 重复 14 步骤，创建出其他所需要的直线，最终结果如下图。 需要注意的是创建的直线时要选取最近的点，而且各直线不能重叠，否则在 后面将线组成面的操作中，这些直线不能构成一个封闭的面 按下图 17 步骤分别创建混合器的两段圆弧圆弧， （7）由线组成面 按下图， 14步骤，将线组成面，其中第 3 步，用 Shift+鼠标左键，选中组 成各面的线，组成面的各直线，必须能构成一个封闭的空间 按照同样方法重复 14的步骤，第 4 不选择小管嘴的各线，将组成小管嘴的 三个矩形也组成面，这个我们得到了 4 个面如下： 步骤 3：网格划分 8）划分各面的网格 划分网格首先要将组成各面各线按照一定的

5、方式划分，按照右图 16 步骤操作，第 3 步，用 Shift+鼠标左键选中需要划分的直线。第 4步，用鼠标右 键选则划分类型为 interval count，即按照个数划分。 重复操作以上 16步骤按照下图的数目， 将一个面的组成各线进行等分划分。 按照下图 14步骤划分出网格，第 3 步Shift+左键选中要划分网格的面 按照上述同样的操作， 将小管嘴矩形两边划分成 5 等分，最后划分网格如下 步骤 4：边界条件类型的指定 （9）设置边界类型 按照右图 17 步骤设置边界类型 注意： 第 3 步要用鼠标右键选 Edges 类型； 第 4 步用 Shift+ 鼠标右键选中热水进口管嘴的最外

6、边 第 5 步要用鼠标右键选中 Velocity_inlet （速度入 口）类型的边界； 第 6 步输入入口的名字 inlet1 ，然后按 Apply 按钮 增加一个入口。 重复 17 步骤，在第 4 步选中冷水入口的边，在 第 6 步输入名字 inlet2 ，创建冷水入口 inlet2 。 重复 17 步骤，在第 4 步选中混合水出口的边， 第 5 步选中的边界类型为 Outflow ，在第 6 步输入 名字 outlet，创建出口边界 outlet 步骤 6：网格文件的输出 （10）导出网格文件 用菜单明 File:Export : Mesh ，在弹出的对话框中输入要导出网格文件的 路径和

7、文件名后，按 Accept 按钮，将网格文件导出 最后用菜单命令 File: Exit 关闭 Gambit 回话，在退出之前， Gambit 会问是否 保存当前的项目，点击 Yes 将项目保存。 2 用 Fluent 求解 用 Fluent 求解包括导入和检查网格、建立求解模型、设置边界条件、求解、 显示计算结果等 步骤 1：网格文件的读入、检查及显示 （1）网格的导入和检查及有关操作 启动 Fluent6 后，在以下窗口中选 2D 求解器，后按 Run，进入 Fluent 用菜单命令 Flie: Read: Case，在打开对话框中，指定到在 Gambit 中导出 的网格文件 e:examp

8、lemixer.msh，点击 OK 后，将网格文件导入到 Fluent 中。 Fluent 读入网格文件“ mixer.msh”时，并菜单命令 Grid: Check 检查网格。 网格检查列出了 X,Y 的最大和最小值， 同时还报告了网格的其他特性， 如单 元格的最大体积、体积和最小体积、面积等，报告的最小体积不能为负值，否则 Fluent 无法进行计算。 为了保证网格质量，可以用菜单命令 Grid: Smooth/Swap 平滑和交换网格。 在弹出对话框中点击 Smooth 按钮，再按 Swap 按钮，重复操作，直到报告中无 需要交换的面为止。 No nodes moved, smoothi

9、ng complete. Done. Number faces swapped: 0 Number faces visited: 1520 用菜单命令 Grid: Scale确定长度单位，在弹出的对话框中将 Grid Was Create in 中选成 cm，然后点击 Change Length Units 按钮，最后点击 Scale按钮，对话 框显示如下图，最后按 Close 按钮关闭对话框。 最后用菜单命令 Display: Grid，在对话框中按 Display 按钮，将网格显示出 来 步骤 2：选择计算模型 建立求解模型，包括选择求解器、设置湍流模型、选择能量方程等步骤 选择求解器 ：

10、菜单命令 Define: Models: Solver，对话框显示如下： Solver 求解器分为 Segregated（分离）和 Coupled（耦合）两种； Formulation（算法）有 Implicit （隐式算法）和 Explicit 显式算法两种； Space（空间属性）有 2D （二维空间）和 Asisymmetric （轴对称空间） Axisymmetric Swirl （轴对称旋转空间）三种； Time（时间属性） 分为 Steady（定常流动） 和 Unsteady（非定常流动） 两种； Velocity Formulation（速度属性）有 Absolute（绝对）和

11、Relative（相对）两 种； 保持默认设置不变，点击 OK 关闭对话框。 设置湍流模型 ：用菜单命令 Define: Models: Viscous 对话框显示如下： Inviscid 表示无粘（理想）流体； Laminar 表示层流模型；另外 4 个为常见的 湍流模型。在这里选择 k-epsilon 后，按 OK 按钮，将显示对话框如下，点击 OK 保持默认值。 选择能量方程 ：菜单命令 Define: Models: Energy，打开对话框中，勾选上 Energy Equation，并按确定按钮。 步骤 3：定义固体的物理性质 设置流体的物理属性， 可以从 Fluent数据库中选用，

12、 也可以新建一种新流体， 并且输入流体的密度、等压比热、导热系数、动力粘度等物理属性。 用菜单命令 Define: Materials 显示 Materials 对话框如下： 右侧按钮 Fluent Database选取数据库中的流体，对话框显示如下： 在选择 water-liquid（H2O）后，流体的各物理属性显示在下，按 Copy 按钮， 再按 Close 按钮关闭该对话框，此时 Materials 对话框中已经显示出复制的流体。 按 Change/Create按钮将材料设置为 water-liquid 后，按 Close 按钮关闭 Materials 对话框 . 步骤 4：设置边界条件

13、 用菜单命令 Define: Boundary Conditions打开对话框如下， 我们在 Gambit 设置的三个边界类型 inlet1、inlet2 和 Outlet 之外，还有 fluid（流体）和壁（ wall ） 这两种边界属性。 左侧栏中选中 fluid ，右侧类型中选 fluid ，按 Set按钮，流体对话框显示如下， 将 Material Name 选择 water-liquid （这是我们刚才设置流体属性时，从 Fluent 材 料库中复制过来的流体） ，然后按 OK 按钮。 左侧栏选上 inlet1 按钮，发现右侧类型栏中为 Veloctiy Inlet ，这是我们在 G

14、ambit 下设置的类型， 按 Set 按钮，在弹出的对话框中按下图， 设置该入口的边 界条件后按 OK 按钮。 用同样的方法可以设置好 outlet2 的入口边界条件，温度为 350K，其他与 outlet 相同 出口的边界条件保持默认值如下 壁面（ wall）的边界条件保持默认值（热流量为 0）即可。 设置完边界条件后，点击边界条件对话框上的 Close 按钮将其关闭 步骤 5：求解设置 求解过程包括流场初始化、设置监视器、迭代计算等步骤 流场的初始化： 菜单命令 Solver: Initialize: Initialize ，对话框显示中，选 择从 inlet2 开始计算如下： 点击 I

15、nit 按钮进行初始化之后，再点击 Close按钮关闭该对话框。 设置监视窗口：在求解时，所关心的是出口的温度、速度是否达到稳定，为 此 Fluent 可以设置监视器，对所关心界面的物理量进行监视。 菜单命令 Solver: Monitors: Surface，在监视器对话框中设置如下图： 将 Surface Monitors 增加 1 之后，选上 Plot ，然后按 Define 按钮，按照下图 设置，在定义监视器对话框，设置成监视 outlet 的平均重量加权温度，并且在窗 口中显示出来。 以上设置完成之后， 可以通过用菜单命令 File: Write: Case将该项目保存。 以后如果需

16、要打开该项目，可以通过菜单命令 File: Read : Case将项目打开 用菜单命令 Solver:Iterate，在显示的对话框中将 Number of Iterations（迭 代次数）输入 300 次，点击 Iterate 开始计算 设置的监视窗口显示如下， 态，计算完成。 在计算到约 150 次后出口截面上已经达到稳定状 步骤 6：保存结果 用菜单命令 File: Write: Case & Data ，将项目和计算结果保存在一个文件夹 中。如果以后再需要查看计算结果，用菜单命令 File: Read: Case & Data 就可以 将项目的计算结果读入后，用 Display 菜

17、单命令将计算结果显示出来。 七、实验结果处理 通过 Display: Contours 命令，打开 Contours 对话框如下： 在 Contours of 栏下选择 Temperure，按 Display 按钮，则温度分布图显示如 下，如果将 Options 中的 Filled （填充）去掉，则温度分布图入右图显示。 用同样方法，可以显示压力分布图和速度分布图如下： 用菜单命令 Display: Velocity Vector，显示速度矢量场，在弹出的对话框中按 照如下选择，并按 Display 按钮 得到用箭头表示的速度矢量分布图如下： 此外，还可以创建出流口上的温度分布 XY 图。通过

18、菜单命令 Plot: XY Plot ， 在显示的对话框中设置如下： 其中 Y 轴的函数为温度， Surface 选上 outlet，点击 Plot 按钮。 得到出口的温度 XY 分布图如下： （7）二阶离散化方法重新计算 以上的求解计算使用的是是一阶离散化方法。 一般来说， 其计算结果不如二 姐离散化方法精度高， 收敛性也不如二阶离散化方法理想。 下面介绍如何使用使 用二姐离散化方法求解。 用菜单命令 Solve: Controls: Solution，打开对话框如下，在 Discretization （离散化方法）下 Energ（y 能量）项选 Second Order Upwind，在

19、Under-Relaxaztion Factors（松弛系数）项的 Energy项，由 1 降为 0.8，其他项不变，点击 OK。 菜单命令 Solve: Iterate，在 Iterate设置对话框中将 Number of Iterations 项输 入 200，点击 Iterate，开始计算，监视窗口显示如下，表示在迭代了 150 次左右 时温度达到稳定 用菜单命令 Display: Contours，显示求解结果，显示温度分布图，和原先的 温度分布图比较可以发现，求解结果已经得到改善。 （8）自适应网格修改功能 混合器中的热交换计算，还可以通过进一步修改网格，使其更适合于流动计 算，达到

20、更理想的拟合效果。 可以通过在现有计算的基础上， 以温度梯度为基点 来改善网格。 首先确定温度梯度的范围。用菜单命令 Display: Contours 在显示的对话框 中，将 Options 中的 Node Values选项不选中，按 Display 按钮，显示出温度分布 图如下： 发现各单元间边界不光滑了，在准备改进网格时，应该先看一下单元的值， 可以看出要进行改进的区域。 在 Contours of 下拉列表中，选择 Adaption 和 Adaption Function，在 Options 项不选择 Node Value，点击 Display，得到温度梯度显示图如下： 在 Optio

21、ns 不选择 Auto Range，改版最小温度梯度值，将 Min 设置为 0.01， 点击 Display，显示出需要改进的高温度梯度的网格如下，这部分网格是我们需 要改进的网格。 显示即将细化的网格有 82 个： 用菜单命令 Adapt: Gradient 打开对话框，在 Gradient of 下来框中选中 Temperature和 Static Tempreature；在 Option 中不选 Coarsen，即只细化修改网格 而不粗糙化。点击 Compute， Fluent 将计算出温度梯度的最大值和最小值，在 Refine Threhold 中输入 0.01，点击 Mark。 82 cells marked for refinement, 0 cells marked for coarsening 点击 Manage，在打开的单元注册对话框( Manage Adaption Registers