流体与传热数值计算大作业

./1.研究对象：冷、热水换热器问题描述：一个冷、热水混合器的部流动与热量交换问题。温度为T=350k的热水自上部的热水小管嘴流入,与自下部右侧小管嘴流入的温度为290k的冷水在混合器部混合进行热量与动量交换后,自下部左侧小管嘴流出。混合器结构如下图1-1所示。输入条件：热水温度Tr=350K,热水入口速度vr=10m/s;冷水温度Tl=290K,冷水入口速度vl=10m/s;图1.1换热器简图2.利用GAMBIT建立计算模型2.1创建混合器网格图打开gambit,选择fluent5/6求解器,首先在工作区建立20*20的网格,再根据模型的几何尺寸要求,确定出不同类型边界的交点及圆弧中心点。再由节点逐步建立出混合器的壁面及各个小管嘴,最终建成各个面,从而生成换热器的几何模型。打开"meshedges",选取边线,对各个线的部节点进行重新剖分。在"edges"选中取边界线LA,CD,FG,GH,KL,在"intervalcount"中填入15,将各条边分成15份。同样操作,其它边分成5分。完成上述工作后,可查看网格划分情况,如图2.1所示：图2-1换热器网格图2.2设置边界类型如图1.1所示,这个换热器的边界主要就是入口边界与出口边界需要设置,入口边界有冷水入口ST与热水入口UV,出口边界只有冷热水混合后出流口PQ,因此打开"ZONES"中"SpecifyBoundaryType"对话框,在"Action"项选add,创建名称"inlet1",并选择"velcocityinlet"类型,最后选取边界线ST,点击Apply,这样就设置了ST的边界类型,类似的操作,可设置边界UV和PQ的边界类型分别为"inlet2""outlet"。设置结果如图2.2所示：图2.2边界类型设置对话框至此保存,并选择File/Export/Mesh命令,选中Export2DMesh输出mixowwang.msh文件,该文件可直接有Fluent读入。3.换热器部流动与换热的仿真计算3.1对网格进行处理1以二维单精度方式启动Fluent,读入网格文件mixowwang.msh,这样就完成了网格文件的输入操作。2选择Grid中Check,对网格进行检查,网格检查列出了x,y的最小值和最大值,也报告出了网格的其它特性,如单元的最大体积,最小体积,最大面积与最小面积等,同时网格检查还会报告有关网格的任何错误,若存在错误,fluent将无法进行计算。3平滑网格。对网格进行平滑操作,可进一步确保网格质量。4确定长度的单位。由于进入Fluent后,其默认的长度单位是m,而在Gambit下构建网格时使用的是cm,所以要在Grid中的Scale中将网格的长度单位改为cm。3.2设置求解模型选择非耦合〔Segragated求解法,并使用隐式算法〔Implicit,空间属性显然是二维,由于流体在换热器的流动情况可以按稳态问题处理,所以时间属性为定常流动〔Steady。采用绝对速度公式。冷水与热水在换热器混合形成湍流,计算时应当设置为湍流模型,这里选择k-ξ湍流模型。k-ξ双方程模型适合绝大多数的工程湍流模型,其中k为湍动能,定义为速度波动的变化量,其单位是m2/s2。ξ为湍动能耗散,即指速度波动耗散的速度,其单位是单位时间的湍动能,m2/s3。其控制方程如下：连续方程：动量方程：湍动能方程：湍动能耗散方程：并选择能量方程：连续方程：动量方程：其中定解条件：将边界条件〔两个入口温度与流速在fluent中设置好了以后,对流场进行初始化,热水入口〔inlet2开始,对部流动设置出一个猜测的初始值,然后进行迭代计算,如果迭代收敛,则表明定解,如果发散,则没有定解。3.3设置流体物理属性及边界条件1创建新流体,取名为water。并在属性栏输入流体的各项物理参数：Density<密度>：1000；Cp〔等压比热：4216；ThermalConductivity〔导热系数：0.667；Viscosity〔动力粘度：8e-4。点击Change/Create,在弹出的对话框中选No,这就使名为water的流体添加到材料选择列表中。2设置边界条件。1、设置流体。打开"BoundaryConditions",在区域标识栏〔zone中选择流体〔fluid,设置〔set,并在MaterialName下拉列表中选择water.2、设置冷〔热水入口边界条件。在zone栏中选择inlet1,点击设置,在VelocitySpecificationMethod〔速度给定方式下拉列表中选择MagnitudeNormaltoBoundary〔给定速度大小,速度方向垂直边界。在VelocityMagnitude〔入口速度输入10,在湍流定义方法中选择强度与水力直径,湍流强度一栏中走入5,水力直径中填入2。用同样的方法设置热水入口边界条件。3、为出流口设置边界条件。在zone栏选择outlet,再点击Set,打开Outflow对话框,保持默认值,确认。对于壁面,也选择默认值。3.4求解计算1流场初始化。从Solver中打开SolutionInitiation,在Computefrom列表中选择inlet2,即从入口2开始计算,则表中数据与边界inlet2相同。鉴于初始化仅仅是对部流动的一个猜测值,可以对其数值进行更改,其结果影响到迭代计算的收敛速度。点击int,关闭对话框。2设置监视器窗口,监测特殊截面上物理量的变化。在出口处,所关心的是温度、速度是否达到稳定值,为此,可以设置监视器,对所关心的截面和物理量进行监测。这里,所关心的截面是出口outlet,所以在surface项选择监测表面为outlet；Reportof中选择温度。3设置求解控制参数。由于求解器中默认的是一阶离散化方法,而在流体计算中要求解非线性方程,为改善求解精度,应将能量方程改成二阶迎风格式,其他均采用一阶格式。压力-速度耦合采用SIMPLE算法。将能量方程的松弛系数由1改为0.8,其余保持不变。4迭代计算。迭代次数设为300次。单击Iterate按钮,进行迭代计算计算结果如图3.1所示,达到规定的收敛精度,完成数值计算。图3.1出口平均温度变化曲线由监测曲线可以明显看出,迭代计算到200次以后,出口截面上的平均温度已经基本达到稳定状态了。5显示计算结果：在Fluent中生成的流场计算结果如下图3.2、3.3、3.4、3.5、3.6所示。图3.2与3.3分别是换热器部的速度分布图及速度矢量图；图3.4与3.5分别为温度分布图及温度等值线图；图3.6为换热器的等压线图；图3.2速度分布图图3.3速度矢量图图3.4温度分布图图3.5温度等值线图图3.6换热器等压线图3.5改进网格并进行再计算换热器部流动与热交换计算还可以进一步得到改善,这可通过进一步改善网格使其更适合流动计算。现在,可以在目前求解的基础上,以温度梯度为基点来改善网格。在改动网格之前,应该先确定温度梯度的围,一旦得到改进,即可继续计算。绘制用于改进网格的温度梯度图。在Contoursof下拉列表中选择Adaption和AdaptionFunction；在Options下不选NodeValues,点击Display,即可得到温度梯度图如图3.7所示。在一定围绘制温度梯度,标出需要改进的单元。在Options下不选AutoRange,由此以改变最小温度梯度值。再将最小变量由1改为0.01,点击Display,得到图3.8,有颜色的网格就是高梯度围,应予以改进。对高温度梯度的网格进行改进。打开GradientAdaption,在Gradientof下拉列表中选择Temperature,不选择Coarsen,仅执行网格修改功能；点击Compute,将修正最大及最小值；并在RefineThreshold项输入0.01,点击Mark,再点击Manage,Display,再点击Adapt,并确认,从而就可以得到改进后的网格。如图3.9所示。图3.7换热器的温度梯度图3.8温度梯度较高的单元图3.9改进后的网格图继续进行300次迭代计算,计算结果如图3.10所示：图3.10出口截面上的温度变化曲线再次查看温度分布情况,如图3.11及3.12所示：图3.11充填方式显示的温度分布图图3.12等值线方式显示的温度分布图4．结果分析及结论上述的容主要研究了冷、热水在混合器混合后,出口的温度,流速等情况。本问题中,由于物性参数是常数,故流场和温度场没有耦合。对此,更有效的方法是先计算流场〔即求解时不取能量方程,然后再计算能量方程