计算流体力学试验报告

1、计算流体力学实验报告 学院：城市轨道交通学院 专业：建筑环境与设备工程 学号：1242405026 姓名：张伟计算流体力学实验报告 -Gambit及Fluent软件应用前言计算流体力学或计算流体动力学，英文Computational Fluid Dynamics，简称CFD,是用计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个学科。计算流体力学是目前国际的一个研究热点,是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、汽车、环境、能源、医药、化工、机械、电子等诸多工程领域。计算流体力学是用计算机和离散化的数值方法对流体力学问

2、题进行数值模拟和分析的一个学科。流体力学和其他学科一样，是通过理论分析和实验研究两种手段发展起来的。很早就已有理论流体力学和实验流体力学两大分支。理论分析是用数学方法求出问题的定量结果。但能用这种方法求出结果的问题毕竟是少数，计算流体力学正是为弥补分析方法的不足而发展起来的。而此次上机我们采用的便是利用Gambit软件建立模型并进行网格mesh划分，再使用Fluent软件设置边界条件后进行网格收敛计算。问题介绍本问题是在在一个模拟正方体内，通过设置不同的进出口，来模拟正方体内的速度场。通过对3个不同进出口方案的分析，找出最好的进出口设置方案。前处理（Pro-processor） 本题的处理模型

3、是一个边长为2m的正方体，该立体空间处于稳定流动状态，如下图所示。其中蓝色部分为该模型的入口（inlet），红色为该模型的出口（2个outlet），其余各部分均为墙体。设置进口速度为0.4m/s，假设影响气流组织的因素有进风口位置、出风口位置、模型内的扰动等。其中以送风口的空气射流及其参数对气流组织的影响最为重要。现在计算模拟次数（2000次左右）一定的情况下，进出口质量流量差小于10-5时，该模型的速度场等情况。INLET OUTLET方法首先我们先用GAMBIT建立该模型，该模型长宽高均为2m，原本我们的方法是由点生成面，再由面生成体。但是在熟悉了GAMBIT这款软件后，我们可以直接用画体

4、的放大，然后将这个体进行分割，最后也能快速的生成这个模型体。网格划分对边界进行网格划分。计算区域划分的每个网格点周围都有一个互不重复的控制体积，利用控制体积积分便可得出一组离散方程。本文采用六面体网格，网格在GAMBIT中选用INTERVEL COUNT进行划分，最长边划分格数为80，最短边划分格数为33，同时还考虑进出入口附近边界层的存在，对局部的网格进行了局部doublesided的加密细化，最终方案生成网格数为523529个，基本符合运算和精度的要求。Fluent软件处理在得到处理好的网格后，接下来的步骤便是将该模型放入Fluent软件中进行数值模拟。 将Gambit中生成的网格模型导入

5、到Fluent软件中，设置材料属性Materials为Fluid中的air，边界条件 Boundary Conditions进口处速度0.4m/s。在Monitors命令中将方程计算连续性、x方向速度、y方向速度、z方向速度、温度k等结果的绝对精度控制为10-5等级。然后按calculate进行计算。 在经过2900次左右的残差计算后，各数据的计算值已达到10-5精度等级，甚至已经达到10-6精度等级，并逐渐趋向于收敛.最后得出的结果如下图。Fluent软件的求解器（solver）核心是数值求解方案。包括有限差分、有限元、谱方法和有限体积法等。其根据的控制方程有： 数据后处理 在进行数据的初始

6、设计后，经过2800次的计算，再运用Fluent软件数据处理方式，变得到了下面的数据处理成果。首先我们看到的是速度的整体分布图：首先我们看到，在整体分布图中，流速在进出口处有着明显的变化。在进口处的速度值为整个模型的最大值区域。但是随着高度的下降，速度值下降得非常快，原因便是进口处气流初始速度最大，但由于边界层的作用气流速度在进口下方处速度梯度较大，速度下降较快。而在出口处同样因为孔口和边界层的影响，在接近出口处速度梯度变大。而立方体中部的气流就比较平稳，速度变化不大。由入口进入的气流由于出口所在平面的边界层作用产生了向上的回流后遇到顶墙形成了类似顶棚射流的流场，在立方体空间上部形成了两个环流

7、。 接下来的是平面速度分布图：从平面图中也可得出类似的结论：速度场在进口处为最大值，在往下的过程中，速度梯度非常之大。这在实际设计中是不合理的，应该给予避免。由前文分析可以看出，将气流出口设置在立方体两侧中央位置会导致内部空间出现“气流短路”现象，即空间内气流出口上端位置出现了气流涡旋，这部分的气流处于与外界循环交换的过程中，因此保证了这部分空间内的空气新鲜度质量；但出口下端位置的空气明显处于相对静止状态，与上部气流运动规律出现了断层，就无法使这部分空气得到与外界的有效交换，从而大大影响了空气质量。这是由于入口进入的气体射流上部卷吸空气量少，因而流速大，静压小，而射流下部静压大，上下压力差在加上出口处边界层的存在导致了气流被向上抬举，形成涡旋。而下部气流没有影响其速度压力变化的因素存在，因而难以形成有效的气流流动。 改进措施由上述的结论可知，这样的设计安排并不合理。若将出口放置在中间，上部的流场速度梯度过大而下半部的流场基本没有改变。更好的方法应该是将出口安装在下部，增大进出口的距离，这样得到的速度场将会更加均匀、合理。 总结 从上面的例子我们可以看出，在分析一些模型的流场分布时，若纯用手算，将会有非常大的工作量，并且最后的结果也非常复杂。但是通过GAMBIT一级Fluent软件的处理，将这个问题进行物理建模，运用三大守恒方程，最后能够较为明晰的求出该模型的速度