管内流动的模拟(fluent)

1、模型模型管的直径为1m ，长度20m 。几何模型是对称的，因此只对管道的一半进行模拟。水以0.015m/s的速度从进口边界进入。流动雷诺数为15000。1建立模型及网格划分 建立模型及网格划分的步骤在此处暂时省略， 以后后机会再补上。 这里直接读入网格文件 pipe.msh ，开启 fluent 3d 双精度求解器（ double precision ） ， （这里是典型的狭长管道，需要开启双精度求解器） 。 读入网格后应检查网格及网格尺寸，通过mesh下的check和scale进行实现，这里不做详细描述。2求解模型的设定 求解器设置。这里保持默认的求解参数，即基于压力的求解器定常求解。下面说

2、一说 pressure-based 和 density-based 的区别：a. pressure-based solver 是 fluent 的优势，它是基于压力法的求解器，使用的是压力修正算法， 求解的控制方程是标量形式的， 擅长求解不可压缩流动， 对于可压流动也可以求解； fluent 6.3 以前的版本求解器，只有segregated solver 和coupled solver ，其实也 pressure-based solver 的两种处理方法；b. density-based solver 是 fluent 6.3 新发展出来的，它是基于密度法的求解器，求解的控制方程是矢量形式的

3、，主要离散格式有roe, ausm+该方法的初衷是让fluent 具有比较好的求解可压缩流动能力，但目前格式没有添加任何限制器，因此还 不太 完 善 ； 它 只 有 coupled 的 算法 ； 对 于低速 问题 ， 他们 是使 用 preconditioning 方法来处理，使之也能够计算低速问题。 density-based solver 下肯定是没有simplec piso这些选项的，因为这些都是压力修正算法，不会在这种类型的求解器中出现的；一般还是使用 pressure-based solver 解决问题。基于压力的求解器适用于求解不可压缩和中等程度的可压缩流体的流动问题。而基于密度的

4、求解器最初用于高速可压缩流动问题的求解。 虽然目前两种求解器都适用于各类流动问题的求解（从不可压缩流动到高度可压缩流动） ，但对于高速可压缩流动而言，使用基于密度的求解器通常能获得比基于压力的求解器更为精确的结果。 流动模型设置。这里使用的是k 湍流模型， define/models/viscous 。a. 这里我们使用的湍流模型是standard k 模型，这种模型应用较多，计算量适中， 有较多数据积累和比较高的精度， 对于曲率较大和压力梯度较强等复杂流动模拟效果欠佳。 一般工程计算都使用该模型， 其收敛性和计算精度能满足一般的工程计算要求，但模拟旋流和绕流时有缺陷。b. 壁面函数的选择，

5、我们这里选择的是， 增强壁面函数法。其不依赖壁面法则，对于复杂流动，特别是低雷诺数流动很合适。其缺点在于， 要求网格密，因而要求计算机处理时间长，内存大。 （这里选择增强壁面函数，并没有说明原因，我认为是考虑雷诺数较小的缘故。 ）3 .材料物性设置设置材料为 water-liquid(h20<1>) , define/materials ,这里不再详述。4 .计算域设置一般来讲，计算域与边界条件在建模时已确定，这里只是根据具体需要，设置相关参数。计算域在这里默认，define/cell zone conditions ,设定流体介质为液态水。5 .边界条件设置 设置进口的边界条件。

6、从zone列表中选择inlet，并设置 type为velocity-inlet。再单击 edit弹出velocityinlet 对话框。momentum设置：设置入口速度为 0.015m/s,而specfication method中的设置如图。在turbulence specification method(湍流定义方法)下拉列表中，可以简单地用一个常数来定义湍流参数，即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边 界上的值来定义流场边界上的湍流。这里选择intensity and hydraulic diameter ,湍流强度与水力直径的确定有相应的 计算方法，这里只是采用估算

7、来加以确定。计算雷诺数：re u,可求得re为15000本文给出了 turbulent intensity的计算公式：turbulent intensity 0.16re "8,可得到其值为 4.8（暂未理解该公式，留予以后讨论）velocity inlet 设置出口的边界条件。从zone列表中选择 outlet ,并设置 type为pressure-outlet 。再单击 edit弹出 pressure outlet对话框。压强出口边界条件在流场出口边界上定义静压，而静压的值仅在流场为亚声速时使用。如果在出口边界上流场达到超音速，则边界上的压强将从流场内部通过差值得到。其他流场变量

8、均从流场内部通过插值获得。momentum置：使用默认的表压参数值，因为出口为大气压，而specification method中的设置如图。而对于模型，这里的紊流参数和前面相同，设置如图：pressure outletnameoutletmomentum | therma radiation &peae5 dpm multiphase udegauge pressu-e (pascal pconstantvbackflow direction spedficaticn method mormaj 忸弘.也中、:rad闾 equilbriurn pressure distributkn

9、i i average pressure spedficabon| target flc胃 ute rurtxjlencespedfiraton method intensity wd hvdrajc dianieter“gadcflow turbulent intensity %)pbackflow hydraulic dianmter m) ll-pcancelhelp6 .求解 solution methods :在 momentum turbulent kinetic energy 和 turbulent dissipation rate下拉列表中均选择 second order up

10、wind ,因为流场并不复杂，所以用户可以直接使用高阶格式。如果是复杂流动，则推荐使用一阶格式获得收敛后，再设置离散格式为高阶格式。solution methodsleast squares cell ba登 dpressureme mentumfirst order up-.vindturbulent kin etc energy|fir3tqrduutnindturbulent dissipation ratei1first order upwhdtransient farnffljlstioninon-nemtive tiee rdvanoement.frozen flux formul

11、atn ps eudo t ranswe n t| high order term relaxation 8而慎def4dlth&jp solution initialization :对于稳态问题，计算的初始化并不显得那么重要，这 里只将compute from下拉列表中选择inlet ,然后点击initialize 按钮。 激活残差图，并设置收敛标准。solve/monitors/residuals,在所有方程式的 absolute criteria文本框中输入 1e-06。 run calculation :设置迭代步数，开始迭代，这里设置为400。7 .后处理8 创建等值面图。

12、surface/iso-surface ，从 from surface 歹u表中选择 symmetry ,从 surface of constant 下拉列表中选择 mesh和x-coordinate ，在iso-values 文本框中输入 0,在newsurface nam©本框中输入centre-line ,这个面显示沿管道轴线的速度变化。创建另一个平面 x-0 ,不选择from surface列表中的symmetry,在newsurface name 文本框中输入x-0创建xy图display/plots/xy plot单击 set up按钮，弹出 solution xy pl

13、ot 对话框，从 surfaces 列表中选择 centre-line ,设置 plot direction 为 x=0, y=0 和 z=1,从丫 axis function 下拉列表 中选择 velocity 和 z velocity ,单击 axes 按钮，弹出 axes-solution xy plot 对话 框，勾选 options选项组中的 major rules 复选中!和 minor rules 复选框，同理对 y 轴也做同样操作，最后单击plot 。如图所示的速度图可以用来计算管道入口段的长度,速度达到99.9%时的距离即为入口段长度。由以上计算得到的图，入口段长度为15.1

14、9m （此处计算结果并不是这样，原因有待于进一步研究），这与本书参考文献的报告值相符。计算出口的摩擦系数摩擦系数被用以表示管道的压降，其定义为：2 pdl v2其中p为沿管道长度的压降,d为管道直径，v为管道横截面的平均速度，为流体密度压力平衡后，剪切力使该式的形式变为:式中，为壁面的剪切应力。创建壁面和出口交界面的线。surface/iso-surface从from surface 列表中选择 wall ,从surface of constant 下拉列表中选择 mesh和 z-coordinate ,在iso-values文本框中输入20,在 new surface name 文本框中输入

15、wall-outlet 。报告面积分report/result reports/surface integrals计算出口的平均剪切应力，从 report type 下拉列表中选择 area-weighted average , 从 field variable 下拉列表中选择 wall fluxes 和 wall shear stress ,从 surfaces 歹u表 中选择 wall-outlet ,单击 compute。area weighted average(pascal)中显示的剪切力值为0.00085945718计算出口的平均速度从 report type 下拉列表中选择 ma

16、ss-weighted average ,从 field variable 下拉列 表中选择 velocity 和 z velocity ,从 surfaces 列表中选择 outlet ,单击 compute。mass-weighted average(m/s)中显示平均速度值。摩擦应力以下式计算显示壁面y+的值。display/graphics and animation/contours结果如图2.4so-01 ?并51 2.2i&-01i.otoicl 1 a4m11 1 .tsfrioi i1.4 孙 qi 1 34wl1 13和5 i，* 厂皿q n *3。； 7.2&am

17、p;fr*tlu g.oicpcod.53c *00 2.23*oqcontours gw制lyplussc j7,201 2amsys f.uent 14 q gtf. dp pefls.ste)大多数计算域的 y+值大于5 （这里似乎并不是这样），除了进口附近节点以外。这表明增强型壁面处理方式作为壁面函数是可以接受的。激活镜像平面，查看完整几何模型。display/views ,从 mirror planes 列表中选择 symmetry,单击 apply ,如图。显示x 0平面的速度云图。display/graphics and animation/contours ,设置如图结果如图u

18、32 1730-021"1fe i科“ 1.sr» d2 i.gfe-d2 1岳收h1.g2o-321 aitud l.&to £ i 5 j8 l通a 1.5fe-d2 1。j2 l51o-d2 i 3口?1.4fo j2 1 4先 l值j2canturs of meiotfr matnim 呢：mfsdec j?. 20i 2an sys fluent 11 0 (3d dp pens. q 网 创建z 0.1等值面，并显示该平面的速度云图。其中draw profiles是将速度分布以侧面显示出来。图形如图设置动画帧，display/scene ,从 names歹u表中选择 profile-8-velocity-magnitude 单击iso-value 对话框。在 value中输入10,单击 apply按钮。在animate面板中的frame中输入150,单击add按钮。最后一个帧的名为key-150 ,将其加到keys列表中。单击开始按钮，图形窗口将显示变化过程。 创建不同轴线位置，显示速度矢量。surface/line/rake ,在x0、y0和z0中都输入 0,在x1、y1和z1中分别输入 0、0.5 和0,在new surface name文本框中输入line=0 ,单击create按钮。类似的，使用 z0和 z