fluent的一个实例波浪管道的内部流动模拟解析

1、基于FLUENT的波浪管道热传递耦合模拟CFD可以对热传递耦合的流体流动进行模拟。CFD模拟可以观察到管道内部的流动行为和热传递，这样可以改进波浪壁面复杂通道几何形状中的热传递。目的：(1)创建由足够数量的完整波浪组成的波浪管道，提供充分发展条件；(2)应用周期性边界条件创建波浪通道的一部分；(3)研究不同湍流模型以及壁面函数对求解的影响；(4)采用固定表面温度以及固定表面热流量条件， 确定雷诺数与热特性之间的 关系。问题的描述:通道由重复部分构成，每一部分由顶部的直面和底部的正弦曲面构成， 如图图1管道模型空气的流动特性如下：质量流量： m=0.816kg/s;密度：p=1kg/m3；动力粘

2、度：n =0.0001kg/(m s);流动温度： Tb=300K;流体其他热特性选择默认项。流动初试条件：x方向的速度=0.816m/s；湍动能=1m2/s2;湍流耗散率=1X105n2/s3。所有湍流模型中均采用增强壁面处理。操作过程：一、完整波浪管道模型的数值模拟(1)计算Re=uH/v=0.816 1 (0.0001/1) =8160Cf/2=0.0359Re-0.2=0.0359 8160)-0.2=0.0059259Ut =见= 0.816 父 *0.0059259 = 0.0628y+=uty/vy=0.00159(2)创建网格入口本例为波浪形管道，管道壁面为我们所感兴趣的地方所

3、以要局部细化。 和出口处的边界网格设置如图。图2边网格生成面网格图3管道网格(3)运用Fluent进行计算本例涉及热传递耦合，所以在fluent中启动能量方程，如图图4能量方程设定条件，湍流模型选择标准 k-e模型，近壁面处理选择增强壁面处理图5湍流模型设定材料，密度为1,动力粘度改为0.0001如图图6材料设定设定边界条件，入口速度为0.816,湍动能为1,湍流耗散率为100000。出 口为自由出口，壁面温度为固定温度分别为300k, 500k。图7边界条件初始化,le+Ol1e-i-D0产，口J门：产；：；一 中门可行丁咛厂71e-O11#-02R&siduals continuity X

4、Velocity y-velocity energy k 登口写Hon103Jan。FLUENT 6.3 (2d. pb-1e-QSIterationsS印J Residuals图8残差残差中的e和k并没有减小，没有达到10-3一下，并且由于网格很大，计算 时间很长。图9压力分布图随着流体流动，管道中压力分布趋于平稳，波浪管道中波谷的压力最低，在 入口处的压力较高。1 挈05 -2建电7 25*3-6-41O-02-2 016-01-J 376-01-4 74a-D1也倒etM-1 026*00-1 43e*00-1 57e*OO-1 70e*00-1 64a*D0-1 9fe*OT-2 He

5、*00-2 25e*00-2 飙00Ie-07 -Contaur& of Total Prsssure (pascal)Jan 07. 2012FLUENT 6 3 (2d. pbm. ek)1 70e*00 1盟中*如 1 539*00 1如41 36e*001 2Be*DO1 ige*ro1 11tw 1盟*00 乌 3011 8.51 e-017 656-01 Qffie-D1 星婚鼠H5 1i0e-0l3Cfe-0l 2双孙1但孙 &51*02 0.009*00Contours of Velaciy MegnrSude (m/s)Jan 07. 2012FLUENT 3 (2d. pl

6、xss,M的图10速度分布图从图中可以看出，在管道 7-11个波浪处，流动已经充分发展，贴近上壁处 速度最大，在波谷出的速度最小，甚至接近于零。4中1铲雕 4眄狈 4 75*02噩4 55&+02 4 4te+(K?4 36e+0? 49吸4 1年十盟 4.07e+023.97e*023.a7e*02 3 7B&+023.晒 $02 3.58a*0fi 3d 的+02 n瓯*慎 3.25fr+0e 3.1902 3.10K)2 3.000+02Contaur& of Total Temperature (k)Jan 07. 2012FLUENT S3 (2d. pbm. ek)4 75ff*0

7、24 65e+04 5502 4 4fe+Q2 4处十g4,9吸4 1付*盟 4.d7e+02 3.9/e+CJ23.8Z023 7B&十023.60*023.晒+0fi3.通慎3.2觎磔 3d叱M 3.WKJ2Contours of Total Temperature (k)Jan 07. 2012FLUENT 6 3 (2d. pbm. ek)图11温度分布图贴近波浪壁面出的温度较高，流动充分发展后，由于换热作用, 体温度逐渐升高，在波峰与波谷之间的流体温度最高，如图。管道后部流UDe*OO1刚*m1.53*001.45e+001.36001 2Be+Q01 1Sfr+ 0011 Q%EO

8、&.37C-G1B. 5-017.67e-O1B aie-015.96a-0l5.111froi-1.Ge-Gl2.56&-011.71001Sa-022.50a-04Jan 07. 2012FLUENT S3 (2d. pbm. tk)3.00a+0fi图12速度矢量图可以看出，波浪壁面出流体出现反流，在波谷出反流的流体最多，速度在波 谷出最小，接近于0,出现滞留区。若要观察波峰、波谷处流体流动速度，需要在波峰、波谷处创建两条直线， 观察直线上的速度。因为管道 7-11节处流动充分发展，所以在第十一节波峰、 波谷处建立两条直线，如图。FWEMT5J3 血皿国fi：图13波峰、波谷-crest

9、-w一 tmu a hwVelocity Magnitude (m/s)V&l&city MagnitudeJan 07, 20112FLUENT 6,3 (2d. pbns.ske)图14波峰、波谷的速度波峰贴近两侧壁面出的速度梯度很大，在管道中间速度随高度增加而增加， 在0.7m左右达到最大。波谷处靠近上壁面的速度梯度很大，但是由于有波谷存 在，波谷处的速度梯度不大，在谷中速度先增大再减小，在 0处左右达到最下， 随后逐渐增加，在0.7m高度左右速度最大。高度在0.5m处以上波峰波谷处的速 度基本相等。周期性波浪管道模型的数值模拟图15周期性网格网格密度与完全管道网格相同。在fluent中

10、输入以下指令，创建周期性网格。/grid modify-zones/grid/modify-zones make-periodicPeriodic zone () inletShadow zone () outletRotational periodic? (if no, translational) yes noCreate periodic zones? yes yesAuto detect translation vector? yes yescomputed translation deltas: 1.000000 0.000000all 100 faces matched for z

11、ones 6 and 5.zone 5 deletedcreated periodic zones./grid/modify-zones边界条件中可以看到已经没有outlet, inlet也变成了 periodic周期性的。这里要设置周期性边界条件。质量流量为0.816,其他设置与之前相同。工 Periodicf Periodic ConditionsTypeFlow Directionff Spec叫 Md$S FlUWSpecify Pressure GraditnlZone Name llnletOKPeriodic Type TranslationalRotation allCaned

12、Mass Flow Hate |kg/s) 加81 1Pressure Gradient pascal/m|I0Upstream Bulk Temperature 时 300呼ZPIRelaxalian Factor lo.EMumher of Iterations2 目OK Update ICancel Help图16边界条件Scaled ResidualsJan 07,2012FLUENT 6.3 (2d pern 耕戟图17残差Energy并不收敛，反而随计算而发散。其他参数都收敛。计算量很小，计 算速度明显提高。2 41*41 Z23fri|1 SMiI 4B* 011 10A-ai3

13、1%4nTI lOa -DII Mh-QI Kb-QI2 Tta-01MMI-3 6411 3BQO411J4旧川 T EMMCanliHjn of Total PmuB ijpauali4 口匕的INFLUENTTa. 3l2d.pbrw skij图18压力图11 d9口1 0 1%由B01 ajic pi 7726-01 了如m 札而TlG7S0-G1 5.701 5.31e-014 H3O 01 434frE 工止口 IajfleHai 71Kta-ni mi1 H 30-01 1 Q1 9 65-02flOOWOC4fWfiune- 5 V-elotity Ma即* 1m修iJan O

14、T, 2D12FLUENT g.3 (2d, pbm,方皿卜诙 *日” 40唯 1ma 丸物唯 4唠 4.37WS wu? 4.17b*i02 图23不同湍流模型波峰速度图traugh-ptrough-reaVelocityM 弱nitude (m咐Velocity MHgrnrtudeJan 07.2tH2FLUtWT 6.3 (2d,由ns. mg%)图24不同湍流模型波谷速度图从图中可以看出realizable和标准k-e模型波峰的速度分布大致相同，RNG模型与完全模型更接近，变化更大。三种湍流模型波谷的速度分布与波峰分布特 点相似。整体模型壁面采用固定热流率的数值模拟重新选用整体模型，

15、只需改变波浪面即 wall2的边界条件即可，改为热流率 1000w/m2,其他条件不变。图25不同湍流模型波谷速度图VelocityMagnitude (m/s)Velocity MagnitudeJan 07, 2012FLUENT 6 3 (2d. pbm. tkt)图26固定壁面温度与固定热流率波峰速度图比较VelocityMagnitude (m/s)1.20et00Position (m)Velacrfy MagnitudeJan 07. 2012FLUENT 6 3 (2d. pbm. ek)图27固定壁面温度与固定热流率波谷速度图比较从图中可以看出固定壁面温度与固定热流率波峰与波

16、谷的速度分布还是比 较相似的，不同的是在0.6m处固定热流率波峰波谷速度比固定壁面温度的速度 稍高，在0.6m之后固定热流率波峰波谷速度比固定壁面温度的速度稍低，在接 近两壁面处基本相等。3Jl6e-0l2伽m7缄-W 4211-02-2 016-01-3 3Se-D1 -4 75a-Dl-7 枷 01 -ftBSe-01-1 026*00-1 16e*D0-1 30e*00-1 43e*00-1 57e*OO -t71e*00 -1 64e*00 -1 *00-2J20*OO-2 25e*00-2 3*00Jan 07. 2012FLUENT 6 3 (2d. pbm. ek)Contaur& of Total Prsssure (pasical)1897 so2 区哂*02 乱%”02 8强M2 7 78e*027 48e*D2 1