1、fluent冷热混合器模型指导解读三维流动与传热的数值计算问题描述：冷水和热水分别自混合器的两侧沿水平切向方向流入，在容器内混合后经过下部逐渐收缩的通道流入等直径出流管，最后流入大气。这是一个三维流动问题，所研究的内容是混合器内的流场，压力分布和温度场。利用GAMBIT建立混合器计算模型第一步：启动GAMBIT并选定求解器(FLUENT5/6)第二步：创建混合器主体(GEOMETRY-VOLUME-CREATE VOLUME-cylinder，如图1)a)Height（长度）:8 Radius1（半径）:10b)Axis Location（中心轴） 选择PositiveZ（z轴正向）c)其他默
2、认第三步：设置混合器切向入流管道a)按照上步建立切向流管b)流管Height（长度）:10 Radius1（半径）:1c)Axis Location（中心轴） 选择Positive x（x轴正向）第四步：将流管移到混合器主体中部边缘(GEOMETRY-VOLUME-CREATE-VOLUME-MOVE/COPY.如图2)a)Volumes右侧黄色区域向上箭头选择小管（选中变红）b)Global(位移量) 输入：x=0,y=9,z=4c)其他项保持默认。d)选择apply应用e)将小管以z轴旋转180度：Operation选择Rotatef)Volumes选择Copyg)Volumes右侧黄色区
3、域向上箭头选择小管（选中变红）h)Angle（旋转角度）填入180i)其他默认，然后选择应用（如图3）。3.将小管以Z轴为轴旋转180度复制操作(GEOMETRY-VOLUME-CREATE-VOLUME-MOVE/COPY.如图2)打开“Move/Copy Volumes ” 设置对话框38所示，并进行如下设置。a）在Volumes项，选择Copy，并点击右侧黄色区域：图 3b）用shift鼠标左键点击组成入流小管的边线，此时小管变成了红色：c）在Operaton项，选择Rotate;d）在Angle （旋转角度）右侧填入180;e）在Axis 项，注意到： Active Coard.Sys
4、.Vector (0,0,0）一 (0,0,1)这表明，当前的旋转轴矢量为Z 轴，保留这一设置。点击Apply ，生成图像如图4。图 4第五步：将三个圆柱体联结成一个整体（GEOMETRY-VOLUME-UNITE REAL VOLUME，如图5）a)点击而lumes 右侧的箭头，打开体积列表框b)点击All ，选择三个已经存在的圆柱体：c)点击Close 关闭体积列表：d)点击Apply，合并后图形如图6。图 5第六步：创建主体下部的圆锥(GEOMETRY-VOLUME-CENTER VOLUME,如图7)a)在Height 项填入5;b)在Radius l 项填入1; （出流口小管的半径为
5、1) 。c)在Radius 3 项填入10：与柱体外边缘相接：d)在Axis Location 项下拉列表中选择Nagative Z, C 沿Z 轴的反方e)图 7点击Apply.第七步：创建出流小管(选择同第二步)1. 创建出流口小圆管(1）设置出流口小圆管的Height （长度）为5, Radius 1 C 半径）为l;(2）在Axis Location 下拉列表中，选择NagativeZ;(3）点击Apply 。2. 将其下移并与锥台相接打开“Move/Copy Volumes ，设置对话框。(1）在Volumes 项，选择Move，并点击右侧黄色区域：(2）用shift 鼠标左键点击组
6、成出流小管的边线；此时小管变成了红色：(3）在Operation 项，选择Translate;(4）在Type C 坐标类型）右侧下拉列表中选择Cartesian （笛卡儿）坐标：(5）在Global （位移量）项，输入x= 0, y = 0, z = -5;(6）点击Apply ，结果图8。图 8第八步：将混合器上部、渐缩部分和下部出流小管组合为一个整体（操作同第五步）第九步：对混合器内区域划分网格（MESH-VOLUME-MESH VOLUMES）(1）点击Volumes 右侧黄色区域：(2）用shift 鼠标左键点击、混合器边缘线；(3）在Spacing 项，选择Interval siz
7、e，并填入0.5;图 9(4）保留其他默认设置，特别是要注意在Type 项选择TGrid;(5）点击Apply 。则区域内的网格图如图9 所示。第十步：检查网格划分情况（Examine Mesh，如图12）(1)在Display Type （显示类型）项选择Plane （平面）：(2)选择3DE1ement 以及：(3)勿在Quality Type （大小类型）项选择EquilAngle Skew;(4)在Out Orientation 项，用鼠标左键拖动Z 轴滑块，则会显示不同Z 值平面上的网格（如图11）：(5)在Out Orientation 项，用鼠标左键拖动X 和Y 轴滑块，贝U会显
8、示X 和Y 平面上的网格：（见图10）。(6)在Display 乃pe项选择Range，点击对话框下部滑块可选择现实的比例及大小。第十一步：设置边界类型（ZONE-SPACFIC-BOUNDARY TYPE,如图13）(1）设置入流口（inlet-1）边界类型为VELOCITY_INLET:a）确定Action 项为Add;b）在Name 项输入inlet1。在type （类型）列表中选择VELOCITY_INLET;d）点击Faces 项右侧区域：e）用shift鼠标左键点击混合器入流口截面边线，此时入口边线的圆变为红色。点击Apply 。(2)重复上述步骤，设置另一个入流口（inlet-2
9、）边界类型为VELOCITY_INLET;(3)设置下部出流口边界类型为PRESSURE_OUTLET 。a）在Name 项填入pressure-outlet;b）在可pe 列表中选择PRESSURE_OULET;c）在Faces 项选择混合器下部出流口断面：d）点击Apply 。注意：对于其他未设置的面，默认为固壁图 11第十二步：输出网格文件（fileexport-mesh) 利用FLUENT 30 求解器进行求解第1 步：检查网格并定义长度单位1. 读入网格文件(File-Read- Case.)2. 确定长度单位为cm操作Grid-Scale .打开“Scale Grid”设置对话框如
10、图14 所示。(1)在Units Conversion 下的Grid Was Created h 右侧列表中选择cm;图 14(2)点击Change Length Units：此时左侧的Scale Factors 下的X,Y,Z 项都变为0.01 。(3)点击下边的scale按钮：此时， Domain Extent附下的单位由m 变为cm，并给出区域的(4)点击Close 关闭对话框。3. 检查网格操作：Grid-Check: 检查并在信息反馈窗口（屏幕）显示检查过程和结果，其中要特别注意保持最小体积为正值。4. 显示网格操作：Display- Grid.打开网格显示对话框后，点击Displa
11、y，可得到区域网格图如图15 所示。第2 步:创建计算模型1. 设直求解器操作Define-Model-Solver打开“Solver设置对话框如图16所示。(1）在Solver 项选择Segregated;（刀在Formulation 项选择Implicit;(3）在Space 项选择3D;(4）在Time 项选建Steady;(5）点击OK。2. 启动能量方程操作Define-Modle- Energy.打开“Energy”设置对话框如图17所示，点击OK.3. 打开湍流模式操作Define-Model-Viscous选择k-epsilon2 equ,其他保持默认，点击OK.第3 步：设置
12、流体的材料属性操作Define-Materials打开“Materials ”设置对话框如图18所示。(1)点击Database.按钮，打开“Database Materials 对话框如图328 所示：(2)在Fluid Materials列表中选择water-liquid;(3)点击Copy，点击Close关闭“Database Materials ”对话框：(4)点击Close，关闭“Materials ”设置对话框。第4 步：设置边界条件操作Define-Boundary Condition打开“Boundary Conditions”设置对话框如图20所示。1. 设直入流口1 的边界
13、条件(1)在Zone 列表中选择inlet-1;图 20(2)点击Set.按钮：打开“Velocity Inlet”设置对话框如图19。(3）在Velocity Specification Method （速度定义方法）项下拉列表中选择Magnitude， Normal to Boundary （速度大小，方向垂直作于作用面）：(4）在Velocity Magnitude （速度大小）项填入1 m/s;(5）在Temperature K项填入320;(6)Turbulence Specification Method （湍流定义方法）项下拉列表中选择Intensity and Hydrauli
14、c.(7) Turbulence Intensity填入5%(8Hydraulic Diameter 项填入2cm; （入口直径）(9）点击OK 按钮。2. 设置入口2 的边界条件(1）在“Boundary Conditions ，对话框中，在Zone 列表中选择inlet-2(2）点击Set.按理：打开“Velocity Inlet”。(3）在Temperature 项填入200 K，其他与入口1 设置相同：(4）点击OK 按钮。3. 设直出流口的边界条件 (1）在Zone 列表中选择pressure-outlet;(2) 勾点击Set. .按钮：打开“Pressure Outlet，设置对
15、话框如图21所示：(3) 在Gauge Pressure （表压强）项填入0;(4) Back Total Temperature （出口总温）项设置为300K;(5）其他与入口边界设置相同：(6）点击OK。第5 步：求解初始化操作Solve- Initialize-Initialize.打开求解初始化设置对话框如图22 所示。(1）在Initia1es （初始值）项中， Gauge Pressure 项设置为0: X Velocity 项设置为0;Y-Velocity 项设置为0: Z-Velocity 项设置为1; (2）点击Init。第6 步：设置监视器操作Solve-Monitors-
16、Residual.打开“Residual Monitors”设置对话框如图23 所示。(1）在Options 项选择Plot;(2）保留其他默认设置，点击OK。第7 步：保存Case 文件操作：File-Write-Case第8 步：求解计算操作Solve-Iterate.打开迭代计算设置对话框如图24所示。(1）在Number of Iterations 项填入200;(2）点击Iterate 按钮。Fluent 开始计算。在迭代119次后，计算收敛，残差曲线图如图25 所示。图 24图 25计算结果的后处理第1 步：读入Case 和Data 文件操作File-Case & Data .第4
17、 步：绘制温度与压强分布图操作Display-Grid. (1) 在Options 项可以选择线（Edges）或面（Faces);(2) 在Surfaces 列表中，可以选择不同的面进行网格显示和观察：(3) 可以利用鼠标左键和中键对图形进行旋转、缩放和移动。第2 步：显示网格第3 步：创建等（坐标）值面为显示3D 模型的计算结果，需要创建一些面，并在这些面上显示计算结果。FLUENT 自动定义边界面为面，比如Inlet-1, inlet-2 和Pressure-outlet 边界上均可显示计算结果。但这些是不够的，还需要定义一些其他的面来显示计算结果。1. 创建一个z=4cm 的平面，命名为
18、surf-1操作: Surface-Iso-Surface打开“Iso- Surface”设置对话框如图26所示。(1)在Surface of Constant 下拉列表中选择Grid.和Z-Coordinate;(2)点击Compute：在Min 和Max将显示区域内z 值的范围；(3)在Iso-Values 项填入4;(4)在New Surface Name 下填入surr-1: I(5)点击Create。此平面为在混合器内通过两个入口轴线的平面。2. 创建一个x=O 的平面，命名为surf-2(1）在Surface of Constant 下拉列表中选择Grid.和和X-Coordina
19、te(2）点击Compute：在min和max栏将显示由内x 值的范围；(3）在Iso-Values 项填入0;(4）在New Surface Name 下填入surl-2;(5）点击Create，点击Close 关闭对话框。此平面为通过z 轴，且与入口轴线相垂直的平面。第4步：绘制温度与压强分布1.绘制温度分布图操作：Display-Contours.打开“Contours”设置对话框如图27所示。现绘制水平面surl-1 上的温度分布图：(1）在Options 项选择Filled;(2）在Contours Of 项选择Temperature.和Static Temperature;(3）在
20、Levels 项填入30;(4）在Surfaces 项选择surf-1(5）点击Display 按钮。则在surf-I 平面上的温度分布图如图28 所示。2. 绘制壁面上的温度分布图(1) 在Surfaces 项不选择surf-I ，选择wall; (2) 点击Display 按钮，则壁面上的温度分布如图29 所示。3. 绘制垂直平面surf-2 上的压力分布(1) 在Contours Of 项选择Pressure 和Static Pressure; (2) 在Surfaces 项选择Surf-2，点击Display 按钮，则surf-2 上的温度分布如图30 所示。第5 步：绘制速度矢量图操
21、作: Display-Vectors打开“Vectors”设置。1. 显示在surf-1 上的速度矢量图(1) 在Style 项下拉列表中选择arrow;(2) 将Scale 项改为3;(3) 在Surfaces 项列表中选择surf-1:(4)保留其他默认设置，点击Display 按钮。则在图形窗口显示surf-1 上的速度矢量图如图32所示。2. 显示在surf-2 上的速度矢量图(1）在Surfaces 项列表中选择surf-2;(2）保留其他默认设置，点击Display 按钮。则在图形窗口显示surf-2 上的速度矢量图如图31所示。图 32第6 步：绘制流体质点的迹线迹线就是流体质点
22、在运动过程中所走过的曲线。对于观察和研究复杂的三维流动来说，绘制流体质点的迹线是一个很有效的方法。1. 创建一条流体质点的起始线操作: Surface- Line/Rake.打开“Line/Rake Surface”设置对话框33所示。(1）在Type下拉列表中选择Rake;创建直线设置对话框这里有两种类型，一个是rake 表面，由在两个端点之间等距离分布的点组成。另一个是line 表面，其上的点可以是非等距分布。(2)在Number of Points 项保留默认的10：这将会产生10条迹线。(3)在End Points （直线的端点）项，设起点为（10, 8, 4），端点为（10, 10，。这是入口处的一条径线的两个端点。(4)在New Surface Name 项填入名字rake-7; (5)点击Create，点击Close 关闭对话框。
