FLUENT系列资料5.docx
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FLUENT系列资料5.docx
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FLUENT系列资料5
蒸汽喷射器内的传热模拟
问题描述:
该问题为一个蒸汽喷射器的内部流动和热量交换问题。
左侧进入的工作蒸汽12245Pa,下侧进入的引射流体压力为1360.5Pa,右侧出口的压力为6802.5Pa。
该问题中所说的压力皆为相对压力,蒸汽皆为饱和水蒸汽。
喷射器的结构如图1所示。
图1喷射器结构图
在本例中将利用FLUENT-2D的非耦合、隐式求解器,针对在喷射器内的定常流动进行求解。
在求解过程忠,还会利用FLUENT的网格优化功能对网格进行优化,使所得到的解更加可信。
本例涉及到:
一、利用GAMBIT建立喷射器计算模型
(1)在CAD中画出喷射器的图形
(2)将CAD图形输出为*.sat的文件格式
(3)用GAMBIT读入上面输出的*.sat文件
(4)对各条边定义网格节点的分布,在面上创建网格
(5)定义边界内型
(6)为FLUENT5/6输出网格文件
二、利用FLUENT-2D求解器进行求解
(1)读入网格文件
(2)确定长度单位:
MM
(3)确定流体材料及其物理属性
(4)确定边界类型
(5)计算初始化并设置监视器
(6)使用非耦合、隐式求解器求解
(7)利用图形显示方法观察流场与温度场
一、前处理——用CAD画出喷射器结构图并导入GAMBIT中
在CAD中按所给的尺寸画出喷射器的结构图,画完后输出为pensheqi.sat的文件(如图2所示)。
CAD中的操作:
文件→输出….点击保存到你想保存到的文件夹中
图2输出数据对话框
启动GAMBIT,建立一个新的GAMBIT文件。
操作:
File→NEW…
此时出现的窗口如图3所示。
在ID右侧的文本框内填入:
f:
\文件夹名\pensheqi
点击Accept后,即建立了一个新的文件。
图3新文件对话框图4导入CAD图形对话框
第1步:
确定求解器
选择用于进行CFD计算的求解器。
操作:
Solver→FLUENT5/6
第2步:
导入喷射器的结构图
操作:
File→Import→ACIS…
点击Browse找到刚才从CAD中输出的pensheqi.sat文件,选中后点击Accept即可导入所需的图形。
(需再CAD中将所画的图形创建成面域,否则无法读入)
第3步:
确定边界线的内部节点分布并创建结构化网络
1、创建各条边上的节点分布
操作:
MESH
→EDGE
→
打开的“MESHEdges”对话框如图5所示。
图5边线网格节点设置对话框
(1)点击Edges右侧的黄色区域,使其处于活动状态;
(2)Shift+鼠标左键,点击所需划分的边线;
(3)选择Intervalsize,并保持默认值1;
(4)在喷射器的渐缩渐扩边线上按照“疏→密→疏”划分节点,选中对话框中的DoubleSided,并在下面的Ratio中填入,0.95—1.05的值,以保证节点分布是符合“疏→密→疏”的;
(5)点击Apply,生成各条边上的节点分布。
注意:
在导入CAD图形时,要将分界线以及里面的小渐缩渐扩管的右侧的边线去掉,否则,生成面网格时会出现错误;同时也应注意相对应的边上所划分的节点数应该是相等的,
否则无法建立网格。
第4步:
查看网格划分情况
操作:
MESH
→FACE
→MESHFACE
打开“MESHFACES”对话框如图6所示。
(1)点击Face右侧的黄色区域;
(2)Shift+鼠标左键点击所需划分网格的面;
(3)其他设置不变,点击Apply。
该例中生成的是四边形网格,故可保持对话框中的默认数值不变。
则生成的喷射器网格如图7所示。
图6面网格设置对话框
图7喷射器网格图
第5步:
设置边界类型
1.关闭网格显示
(1)在打开的“SpecifyDisplayAttributes”对话框(图8)中,在Mesh项选择Off。
(2)点击Apply,点击Close关闭对话框。
图8显示属性设置对话框图9边界类型设置对话框
2.设置边界类型
操作:
ZONES→SPECIFYBOUNDARYTYPES
打开的“SpecifyBoundaryTypes”对话框如图9所示。
(1)设置喷管主体左侧的入口截面为速度边界
a)在Action项选择Add
b)在Name右侧的文本框中填入边界的名称:
inlet1
c)在Type下拉列表中选择PRESSURE_INLET
d)点击Entity栏Edges右侧黄色区域
e)Shift+鼠标左键,点击边界线
f)点击Apply
(2)设置喷管左下侧的入口截面为速度边界
a)在Name右侧的文本框中填入边界的名称:
inlet2
b)点击Entity栏Edges右侧黄色区域
c)Shift+鼠标左键,点击边界线
d)点击Apply
(3)创建出流边界(喷管右侧出口截面)
a)在Name右侧的文本框中填入边界的名称outlet
b)在Type下拉列表中选择PRESSURE_OUTLET;
c)点击Entity栏Edges右侧黄色区域
d)Shift+鼠标左键,点击边界线
e)点击Apply
第6步:
输出网格并保存会话
1.输出网格
操作:
File→Export→Mesh…
图10输出网格文件对话框
(1)在对话框输入要输出的文件夹和文件名(如f:
\gambit\pensheqi.msh)
(2)选中Export2dMesh
(3)点击Accept确认,完成了网格文件的输出操作。
2.保存会话GAMBT,并退出GAMBT
操作:
File→Exit
在退出之前,GAMBIT将问你是否保存现有的会话,点击Yes,保存会话并退出GAMBT。
二.利用FLUENT进行混合器内流动与传热的仿真计算
第1步:
与网格相关的操作
1.读入网格文件:
pensheqi.mesh
操作:
File→Read→Case…
打开“SelectFile”对话框如图11所示。
图11文件选择对话框
(1)找到网格文件f:
\gambit\pensheqi.msh;
(2)点击OK,完成输入网格文件的操作
读入网格文件的同时,会在信息反馈窗口内显示如下信息:
其中包括节点数8338等,最后的Done表示读入网格成功。
图12读入网格文件的信息反馈
2.网格检查
操作:
Grid→Check
反馈窗口显示如下信息:
图13网格检查信息反馈
3.平滑和交换的网格
操作:
Grid→Smooth/Swap…(对话框如图14所示)
(1)点击Smooth/SwapGrid按钮,在点击Swap,
重复上述操作,直到FLUENT报告没有需要交换的面为止。
(如图15所示)
(2)点击Close按钮关闭对话框。
图14平滑与交换网格对话框图15信息反馈
4.确定长度的单位
操作:
Grid→Scale…打开“ScaleGrid”对话框如图16所示。
图16长度单位设置对话框
(1)在单位转换栏(UnitsConversion)中的(GridWasCreatedIn)网格长度单位右侧下拉列表中选择mm
(2)点击ChangeLengthUnits,此时,在DomainExtents栏中给出区域范围和度量单位。
(3)点击Scale
(4)点击Close关闭对话框
5.显示网格
操作:
Display→Grid…打开“GridDisplay”对话框如图17所示。
(1)在Surfaces项中选择所有的表面。
(2)点击Display按纽,则显示的网格如图18所示
图17显示网格对话框
图18喷射器网格图
第2步:
建立求解模型
1.保持Solver求解器)默认设置不变化。
操作:
Define→Models→Solver...(如图19所示)
图19求解器设置对话框图20湍流模型选择对话框
2.设置标准的
湍流模型
操作:
Define→Models→Viscous...
打开ViscousModel对话框如图20所示。
(1)选择k-epsilon,则打开“ViscousModel”设置对话框如图21所示;
(2)保留默认的值
图21湍流模型设置对话框
3.选择能量的方程
操作:
Define→Models→Energy...
打开Energy对话框如图2-1-22所示
(1)点击EnergyEquation右侧按纽;
(2)点击OK图22能量方程设置对话框
第3步:
设置流体的物理属性
1、创建新流体,取名为Vapor
操作:
Define→Materials...打开Materials对话框
(1)点击Database,在FluidMaterials中选择Water-Vapor,点击Copy、Close;
(2)在Materials对话框中的FluidMaterials下选择Water-Vapor,保持默认值不变;(如图23所示)
(3)点击Change/Create
(4)在弹出的对话框内,点击NO,
2.点击Close关闭流体属性设置对话框
图23流体材料设置对话框
第4步:
设置边界条件
操作:
Define→BoundaryConditions…打开“BoundaryConditions”对话框如图24所示。
图24边界选择对话框图25流体材料选择对话框
1.设置流体
(1)在Zone栏内选择fluid;其类型在右边Type栏内为fluid;
(2)点击Set…打开“Fluid”设置对话框如图25所示;
(3)在MaterialName下拉列表中选择water-vapor;
(4)点击OK,关闭材料选择对话框.
2.设置蒸汽入口压力边界条件
(1)在Zone栏内选择inlet1,则在右边Type栏内显示其类型Pressure_inlet.点击Set…,则打开速度边界设置对话框.
(2)在速度边界对话框中所需输入的数据如图26所示。
(3)点击OK关闭inlet1设置对话框.
图26速度边界设置对话框
3.用同样的方法对inlet2进行设置
Supersonic/InitialGaussPressure:
2680m/s;TotalTemperature:
373.5K;Turb.KineticEnergy:
2;其他与inlet1相同.
4.为出流口设置边界条件
在Zone栏内点击outlet,再点击Set…,打开“PressureOutlet”对话框,所需输入的数据如图27所示
图27出口边界条件设置对话框
第5步:
求解
1.流场初始化
操作:
Solver→Initialize→Initialize…打开“SolutionInitialization”对话框如图28所示。
图28流场初始化对话框
(1)在Computefrom列表中选择inlet2,则表中数据与边界inlet2相同;
(2)鉴于初始化仅是对内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;
(3)点击Init,再点击Close关闭初始化对话框。
注意:
若想查看inlet2对应的是哪个边界,可打开网格显示窗口,右击边界,即可在信息反馈窗口内显示其边界的名称及数据。
操作:
Display→Grid…;点击Display.
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,FLUENT可以设置监视器,对所关心的截面和物理量进行监测。
操作:
Solver→Monitors→Surface…
打开“SurfaceMonitors”(表面监视器)设置对话框如图29所示。
图29表面监视器设置对话框
(1)将SurfaceMonitors右侧的书目增加到1;
(2)选择Plot(若同时选择Write,还可将结果写入文件);
(3)点击Monitor-1最右边Define…按钮。
(如对话框30所示)
图30表面监视器定义对话框
(4)在Reportof项选择Temperature…和StaticTemperature;
(5)在Surfaces项选择监测表面为outlet;
(6)在ReportType下拉列表中选择Area-WeightedAverage(面积平均);
(7)点击OK;
(8)点击“SurfaceMonitors”对话框中的OK.
3、定义残差限
操作:
solve→monitors→Residual…中定义残差限
残差限的具体设置如下:
Continuity1e-04;x-velocity1e-05;y-velocity1e-05;energy1e-06;k1e-04;epsilon1e-04,具体见图31
图31残差限定义对话框
4、设定初始压力
操作:
Define→OperatingCondition
将初始压力设定为101325Pa,其他的保持默认。
如图32所示。
图32初始压力定义对话框
5、保存case文件(mixer.cas)
操作:
File→Write→Case…
输入文件名pensheqi.cas,并点击OK。
6、开始进行800次迭代计算
操作:
solve→Iterate……
(1)在打开的对话框(如下图33所示),在NumberofIterations(迭代次数)栏中输入800;
图33迭代参数设置对话框
(2)点击Iterate开始计算。
进行800次迭代后,出口截面上平均温度与平均速度监视器窗口显示曲线如下图所示。
图34出口平均温度变化曲线
由迭代计算的过程显示可知,迭代到785次后,出口截面上的平均温度已经基本达到稳定状态。
为了更加细致的观察起变化,还应对Y轴进行放大显示。
7、在进行200次迭代计算
(1)打开图2-1-32表面监视器定义对话框,点击Axes按钮。
出现对话框如图35所示;
(2)在Axis项选择Y轴,Option项不选择AutoRange;
(3)在Range项,Minimum=391,Maxmum=401;
(4)点击Apply;点击Close关闭对话框;
(5)在“Iterate”会话框中输入200,点击Iterate,继续进行200次迭代计算。
图35轴向曲线放大设置框
在进行了200次迭代计算后,监视器的曲线图36如下所示。
由图可以看出,出口处的平均温度已经达到稳定状态。
出口平均温度为395.5K。
图36监视器曲线
8、保存data文件(pensheqi.dat)
操作:
File→Write→data…在datafile一栏中填入:
f:
\example\pensheqi.dat。
点击OK。
第6步:
显示计算结果
1、利用不同的颜色显示速度分布
操作:
Display→Contours…打开“Contours”设置对话框如图37所示。
图37
(1)在Contoursof栏下选择Velocity…(速度)和VelocityMagnitude(速度大小);
(2)在Options下选择Filled(填充方式);
(3)点击Compute(计算);
(4)点击Display。
则将显示如图38所示图片。
图38速度分布图
2、温度场显示
(1)在分布图对话框中的Contoursof下拉列表中选择Temperature…和StaticTemperature;
(2)点击Compute;
(3)点击Display。
温度分布图如图39所示;若在Options下不选择Filled,则显示温度等值曲线图40。
图39温度分布图
图40温度等值曲线图
3、速度场显示
操作:
Display→VelocityVector…打开速度矢量场设置对话框如图41所示。
图41混合器内的等压线图
(1)点击Compute,可以看到最大速度和最小速度值;
(2)在Style下拉列表中选择Arrow;
(3)在Scale项填入:
3;
(4)保留其他默认设置,点击Display可以看到速度矢量场如图42所示。
图42速度矢量图
4、显示流场中的等压力线
操作:
Display→Contours…
(1)在Option下,不选中Filled;
(2)在Contourof下选择Pressure和StaticPressure;
(3)点击Display,得到等压线如图43所示。
图43混合器内等压线图
5、创建出流口截面上的温度XY曲线图
操作:
Plot→XYPlot…设置对话框如图44所示
(1)在YAxisFunction项选择Temperature…和StaticTemperature;
(2)在Surface项选择Outlet;
(3)保留其他默认设置,点击Plot。
图44XY曲线设置对话框
得到在出口截面上的温度分布如图45所示。
图45出流口截面上的温度分布图
6、制作出流口截面上的压力分布图
(1)在YAxisFunction项选择Pressure…和StaticPressure;
(2)在Surface项选择Outlet;
(3)保留其他默认设置,点击Plot。
得到压力分布图如图46所示。
图46出流口截面上的压力分布图
7、制作出流口截面上的速度分布图
(1)在YAxisFunction项选择Velocity…和StaticVelocity;
(2)在Surface项选择Outlet;
(3)保留其他默认设置,点击Plot。
得到压力分布图如图47所示。
图47出流口截面上的速度分布图
8、函数
(速度水头)
操作:
Define→CustomFieldFunction…打开自定义函数设计对话框如图48所示。
图48自定义函数设计对话框
(1)在FieldFunction下拉列表中选择Density,并点击Select;
(2)点击乘号按钮X;
(3)在FieldFunction下拉列表中选择Velocity和VelocityMagnitude,并点击Select;
(4)点击乘幂按钮y^x,然后点击数字2;
(5)点击除号按钮/,再点击2;
(6)在NewFunctionName文本框内输入dynam-head作为函数名;
(7)点击Define,再点击Close关闭对话框。
9、显示自定义函数的数值分布(等值线)
操作:
Display→Contours…
打开“Contours”对话框如图49所示。
图49等值分布设置对话框
(1)在Contours下拉列表中选择CustomFieldFunction…,则刚定义的函数dynam-head出现在下面的栏内;
(2)在Options项下不选择Filled;
(3)保留其他默认设置,点击Display;
(4)点击Close关闭对话框。
结果如图50所示。
图50速度水头的等值线图
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