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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

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