冷热水混合器内的滚动与热交换模拟(fluent)

本文格式为Word版，下载可任意编辑——冷热水混合器内的滚动与热交换模拟(fluent)试验十冷热水混合器内的滚动与热交换模拟

一、试验目的

（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

二、试验原理

一个冷热水混合器的内部滚动与热量交换问题。混合器的长宽均为20cm，，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，与下部右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，自下部左侧的小管嘴流出。

三、试验步骤

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Gambit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：创立几何图形

（3）创立坐标网格

依照下图1~5创立坐标网格，先创立X坐标的网格，在第3步选择X，完成4、5步骤后，再重复1~5步骤，在第3步选择Y，最终得到XY从-10到10的坐标网格。

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

工具按钮，使

Ctrl+鼠标右键，在坐标网格上如上图所示，创立出所需要的各点。

（5）复制点

除了以上各点之外，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立各个小管嘴外侧的点。

依照下图1~5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1~5步骤，创立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，使工作区调整至显示整个网格如

（5）隐蔽坐标网格显示

依照下图1~4将坐标网格线隐蔽，以便于后面的操作。

（6）由点创立直线和圆弧线

依照下图1~4步骤创立出一条直线，第3步Shift+鼠标左键，选中直线两段的点

重复1~4步骤，创立出其他所需要的直线，最终结果如下图。

需要注意的是创立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1~7步骤分别创立混合器的两段圆弧圆弧，

（7）由线组成面

按下图，1~4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，必需能构成一个封闭的空间。

依照同样方法重复1~4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依照一定的方式划分，依照右图1~6

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intervalcount，即依照个数划分。

重复操作以上1~6步骤依照下图的数目，将一个面的组成各线进行等分划分。

依照下图1~4步骤划分出网格，第3步Shift+左键选中要划分网格的面

依照上述同样的操作，将小管嘴矩形两边划分成5等分，最终划分网格如下。

步骤4：边界条件类型的指定（9）设置边界类型

依照右图1~7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1~7步骤，在第4步选中冷水入口的边，在第6步输入名字inlet2，创立冷水入口inlet2。重复1~7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，创立出口边界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文件名后，按Accept按钮，将网格文件导出

最终用菜单命令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…，在开启对话框中，指定到在Gambit中导出的网格文件e:\\example\\mixer.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。

Nonodesmoved,smoothingcomplete.Done.

Numberfacesswapped:0Numberfacesvisited:1520

用菜单命令Grid:Scale确定长度单位，在弹出的对话框中将GridWasCreatein中选成cm，然后点击ChangeLengthUnits按钮，最终点击Scale按钮，对话框显示如下图，最终按Close按钮关闭对话框。

最终用菜单命令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：菜单命令Define:Models:Solver，对话框显示如下：

Solver求解器分为Segregated（分开）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）AxisymmetricSwirl（轴对称旋转空间）三种；

Time（时间属性）分为Steady（定常滚动）和Unsteady（非定常滚动）两种；VelocityFormulation（速度属性）有Absolute（绝对）和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，开启对话框中，勾选上EnergyEquation，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，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FluentDatabase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

用菜单命令Define:BoundaryConditions…开启对话框如下，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MaterialName选择water-liquid（这是我们方才设置流体属性时，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VeloctiyInlet，这是我们在Gambit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

一致。

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Init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SurfaceMonitors增加1之后，选上Plot，然后按Define按钮，依照下图设置，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。以后假使需要开启该项目，可以通过菜单命令File:Read:Case…将项目开启

用菜单命令Solver:Iterate…，在显示的对话框中将NumberofIterations（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，在计算到约150次后出口截面上已经达到稳定状态，计算完成。

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。假使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菜单命令将计算结果显示出来。

七、试验结果处理

通过Display:Contours命令，开启Contours对话框如下：

在Contoursof栏下选择Temperure，按Display按钮，则温度分布图显示如下，假使将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:VelocityVector，显示速度矢量场，在弹出的对话框中依照如下选择，并按Display按钮

得到用箭头表示的速度矢量分布图如下：

此外，还可以创立出流口上的温度分布XY图。通过菜单命令Plot:XYPlot，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…，开启对话框如下，在Discretization（离散化方法）下Energy（能量）项选SecondOrderUpwind，在Under-RelaxaztionFactors（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NumberofIterations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，使其更适合于滚动计算，达到更理想的拟合效果。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NodeValues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，应率先看一下单元的值，可以看出要进行改进的区域。

在Contoursof下拉列表中，选择Adaption…和AdaptionFunction，在Options项不选择NodeValue，点击Display，得到温度梯度显示图如下：

在Options不选择