【FLUENT案例】01：T型管混合器中的流动与传热

案例目录

1 引子
1.1 案例描述
1.2 案例学习目标
2 计算仿真目标
3 启动FLUENT并读入网格
4 FLUENT工作界面
5 网格缩放及检查
6 修改单位
7 设置模型
8 定义新材料
9 计算域设置
10 边界条件设置
12 设置离散格式
13 Monitors
14 Initialization
15 Run Calculation
16 Results
16.1 计算监测图形
16.2 Graphics
16.2.1 壁面温度分布
16.2.2 创建截面
16.2.3 显示截面物理量
16.2.4 Pathline显示
16.3 Plots

1 引子

1.1 案例描述

本案例进行T型管中的流动模拟，流体以不同的温度进入T形管，通过计算模拟混合过程。

1.2 案例学习目标

本案例主要描述FLUENT界面的使用，包括CFD的全部过程，包括：

• 读取网格
• 选择计算模型
• 选择并设置材料属性
• 定义边界条件
• 设置计算监视器
• 运行求解器
• 后处理

2 计算仿真目标

仿真的对象为冷热水在T型管内的混合过程
计算仿真的目的在于确定：

• 1.流体混合程度
• 2.混合过程的压力降

3 启动FLUENT并读入网格

本案例利用workbench中的FLUENT模块，也可以使用独立版本的FLUENT进行。

• 1.启动Workbench，利用菜单Files | Save as…保存新的文件mixing_tee
• 2.从左侧的Component Systems列表中选择拖拽Fluent至右侧项目窗口中
• 3.右键选择单元格Setup，选择子菜单Import FLUENT Case | Browse
• 4.在打开的文件选择对话框中，修改文件过滤选项为Fluent Mesh File
• 5.选择网格文件Mixing_tee.msh，点击OK按钮确认选择
  如下图所示。
  
• 6.返回至项目面板，鼠标双击Setup单元格启动FLUENT，如下图所示，可以根据自身计算机性能选择串行或并行计算（如下图所示采用并行4核计算）
  
• 7.点击OK按钮进入FLUENT工作环境

4 FLUENT工作界面

FLUENT17.0工作界面如图所示。主要包括5个部分：

• 1.Ribbon菜单。里面包含了所有的操作按钮
• 2.模型树。包含了CFD仿真流程中所需的所有节点
• 3.参数设置面板。对应不同的模型树节点所需的参数设置
• 4.图形显示窗口。
• 5.TUI及消息输出窗口
  

5 网格缩放及检查

在导入计算网格后，第一步要做的操作是检查导入的网格有效性及网格质量。

• 选择而模型树节点General
• 在右侧面板中点选按钮Check，TUI窗口反馈信息如下图所示。
  注意：主要检查两个参数：一个是Domain Extents，查看计算域尺寸是否与实际尺寸相符，若不相符则需要对计算域进行缩放；另一个为mimimum volume，必须确保最小体积大于0
  
• 2.选择面板中的Report Quality按钮，查看网格质量。TUI命令窗口显示网格质量如下图所示。
  
  给出了三种网格质量：Minimum Orthogonal Quality、Maximum Ortho Skew 及Maximum Aspect Ratio，其中Minimum Orthogonal Quality的范围为0-1（1为理想网格），Maximum Ortho Skew的范围为0-1（0为理想网格），Maximum Aspect Ratio越小越好。

6 修改单位

修改温度的单位为摄氏度。点击General设置面板中的Units…按钮弹出单位设置面板。
如下图所示，设置temperature的单位为c。

7 设置模型

这里激活能量方程及湍流模型。

• 双击模型树节点Models > Energy，在弹出的Energy对话框中，勾选Energy Equation前方的复选框，激活能量方程，如下图所示。点击OK按钮确认操作。
  
• 双击模型树节点Models > Viscous(Laminar)，在弹出的对话框中选择k-epsilon(2 eqn)，Realizable，其他参数保持默认，点击OK按钮确认操作。
  

8 定义新材料

FLUENT默认采用的材料为air，案例中流体介质为液态水。

• 右键点击模型树节点Material > Fluid，选择弹出菜单New，如下图所示。
  
• 在弹出的对话框中，选择Fluent Database…，弹出材料库对话框，在材料库中选择材料water-liquid(h2o)，点击Copy按钮，并点击Close按钮关闭对话框，如下图所示。
  
  点击Close按钮关闭材料新建对话框。

9 计算域设置

• 鼠标双击模型树节点Cell zone Conditions > fluid(fluid)，弹出参数设置面板，在参数面板中设置Material Name为上一步创建的材料water-liquid，如下图所示。
• 点击OK按钮关闭对话框。
  

10 边界条件设置

在模型树节点Boundary Conditions中可以设置计算模型的边界条件。如图所示。

界面元素与Cell Zone Conditions设置面板类似。
设置边界条件：

• inlet-y边界设置
  • 在Zone列表框中选择边界inlet-y，选择Type下拉框选项Velocity-inlet，鼠标点击面板按钮Edit…
  • 弹出参数设置对话框，如图所示。在Momentum标签页下，设置Velocity Manitude参数值为0.3； 选择Specification Method为Intensity and Hydraulic Diameter，设置Tubulent Intensity为5，设置Hydraulic Diameter为0.15。
    
  • 切换至Thermal面板，设置Temperature为15，如图所示。
    
• inlet-z边界设置
  • 与inlet-y设置相类似，所不同的是设置Velocity Manitude参数值为0.1；设置Hydraulic Diameter为0.1；设置Temperature为25
• outlet边界设置
  • 选择Type下拉框选项pressure-outlet，点击Edit…按钮
  • 在弹出的对话框Momentum标签页下，设置Gauge Pressure为0，设置Specification Method为Intensity and Hydraulic Diameter，设置Backflow Turbulent Intensity为5，设置Backflow Hydraulic Diameter为0.15
  • 切换至Thermal面板，设置Temperature为20。
    

    需要注意的是：在计算的过程中，有可能会出现介质从出口边界进入流体域的情况（回流），这种情况有可能是真是的流动特征（在计算收敛时仍然存在回流），或者仅仅只是收敛过程中的短暂状态（随计算进行回流消失）。不管是何种情况，FLUENT需要知道边界上的真实来流信息。若在出口位置没有回流，则这些回流参数值在计算过程中不会被使用。在选择计算边界位置时，通常将出口位置选择在没有回流的地方。

12 设置离散格式

模型树节点Solution Methods主要设置模型的离散算法。如图所示。

• 选择Pressure-Velocity Coupling scheme为Coupled
• 激活选项Pseudo Transient
• 激活选项Warped-Face Gradient Correction
  

  离散格式定义了梯度及变量插值的计算方法。默认选项适用于大多数的计算问题。

13 Monitors

利用模型树节点Monitors可以在计算过程中监测一些物理量的变化。本例设置监测两个入口压力值及出口温度标准差。Monitors设置面板如下图所示。

设置面板中的一些参数：

• Residuals,Statistic and Force Monitors：监测残差、统计值以及各种力
• Surface Monitors：监测面上的各种参数值
• Volume Monitors：监测体上的各种参数值
• Covergence Monitors：收敛监测，通过前面的监测参数来判断计算是否收敛

本例中监测三个面参数，利用Surface Monitors下方的Create按钮进行创建。鼠标选择此按钮后，如下图所示。

定义三个Monitors，步骤包括：

1. 点击Surface Monitors下的Create…按钮

   • Name：设置为p-inlet-y
   • Plot Windws：设置为2
   • Report Type：设置为Area-Weighted Average
   • Field Variable：设置为Pressure及Static Pressure
   • Surface：选择inlet-y

2. 点击Surface Monitors下的Create…按钮

   • Name：设置为p-inlet-z
   • Plot Windws：设置为3
   • Report Type：设置为Area-Weighted Average
   • Field Variable：设置为Pressure及Static Pressure
   • Surface：选择inlet-z

3. 点击Surface Monitors下的Create…按钮

   • Name：设置为t-dev-outlet
   • Plot Windws：设置为4
   • Report Type：设置为Standard Deviation
   • Field Variable：设置为Temperature及Static Temperature
   • Surface：选择outlet

14 Initialization

利用模型树节点Solution Initialization可对计算域进行初始化。FLUENT提供了两种初始化方法：

• Hybird Initialization：通过各种不同的插值方式获得计算域中的初始值。如利用求解拉普拉斯方程的方式获取初始速度场与压力场
• Standard Initialization：直接定义各未知物理量的初始值
  
  本案例采用Hybird Initialization方式进行初始化，如上图所示，选择Initialize按钮进行初始化。此时在图形窗口中可能会出现如下图所示的警告信息，不过这仅仅只是提示拉普拉斯方程没有收敛，大可以忽略。
  

  对于稳态计算，初始值不会影响最终计算结果，但是会影响收敛过程，严重偏离实际的初始值可能会导致计算收敛缓慢甚至发散。对于瞬态计算，初始值会影响到后续的计算结果。

15 Run Calculation

选择模型树节点Run Calculation，如图所示。

• 设置Number of Iterations为350，点击按钮Calculate进行迭代计算。
  

16 Results

计算后处理。

16.1 计算监测图形

• 残差曲线
  计算监测得到的残差曲线如下图所示。
  

  图中残差曲线显示计算在迭代120步左右达到收敛，表现为残差曲线降低至设置的残差标准以下，默认残差标准为10−3${10}^{-3}$

• 入口压力监测图
  两个入口压力监测图如下图所示。
  
  （图1）
  
  （图2）
  从这两幅压力监测图看出计算结果基本达到稳定，压力值随迭代变化很小。

• 出口温度标准差变化图
  监测得到的出口温度标准差曲线图如下图所示。
  
  温度标准差反映了温度混合的均匀程度，该值越大表示温度分布越不均匀。图中最终的温度标准差约为0.2。

16.2 Graphics

模型树节点Graphics下包含了Mesh、Contours、Vectors、Pathlines以及Particle Tracks，如图所示。在Graphics参数设置面板中还包含了Animations操作以及一些图形显示参数设置按钮，如灯光、视图等。

• Mesh：显示网格图
• Contours：显示云图
• Vectors：显示矢量图
• Pathlines：显示流线图
• Particle Tracks：显示粒子追踪图

本案例主要利用Contours及Vectors显示云图及矢量图。

16.2.1 壁面温度分布

查看壁面温度云图显示。鼠标双击Graphics列表框中的Contours列表项，在弹出的对话框中进行如下图所示设置：

• 勾选激活Filled选项
• 在Contours of下拉框中选择Temperature及Static Temperature
• 在Surfaces列表项中选择wall-fluid
• 点击按钮Display
  
  壁面上的温度云图显示如下图所示。
  

16.2.2 创建截面

创建截面后可以显示截面上的物理量分布。这里创建x截面。

• 利用Ribbon界面中的Postprocessing标签页
• 选择Create按钮下的Iso-Surface…功能菜单
  如下图所示。
  
  在弹出的对话框中进行如图所示设置：
  
• 选择Surface of Constant为Mesh及X-Coordinate
• 设置Iso-Value为0
• 设置New Surface Name为x-0
• 点击Create按钮创建截面

16.2.3 显示截面物理量

回到Contours设置面板，

• 设置Contours of为Velocity及Velocity Magnitude
• 选择Surface为x-0
• 点击按钮Display
  
  显示速度云图如下图所示。
  
  设置Contours of为Temperature及Static Temperature，点击Display按钮。
  
  显示温度云图如下图所示。
  

16.2.4 Pathline显示

可以利用Pathline显示流线。选择Graphics列表中的Pathlines选项，弹出如下图所示对话框。

显示的流线图如下图所示。

16.3 Plots

模型树节点Plots可以输出一系列图形，如曲线图、直方图等。

列表项：

• XY Plot：以XY曲线图显示变量的变化规律
• Histogram：以直方图形式显示数据
• File：以图形形式显示文件中的数据
• Profile：图形化显示配置文件
• FFT：对文件指定的数据进行快速傅里叶变换，将时域数据转化为频域数据。

可以先创建line，再利用XYPlot显示线上物理量分布。利用Postprocessing下的工具按钮Create，选择菜单项Line/Rake…，如下图所示。

弹出如下图所示对话框：

• 设置Type为Line
• 设置End Point分布为**（0，-0.3556，0）及（0,0.3556,0）
• 设置New Surface Name为line-center
  
  双击模型树节点XY Plot，弹出如下图所示对话框，进行如下设置：
• 设置Plot Direction为**（0,1,0）
• 设置Y Axis Function为Velocity及Velocity Magnitude
• 选择Surface列表项line-center
• 点击按钮Plot
  
  显示沿直线line-center上速度分布曲线如下图所示。
  

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