管内流动的模拟(fluent).doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date管内流动的模拟(fluent)模型模型模型管的直径为，长度。几何模型是对称的，因此只对管道的一半进行模拟。水以的速度从进口边界进入。流动雷诺数为。1 建立模型及网格划分 建立模型及网格划分的步骤在此处暂时省略，以后后机会再补上。这里直接读入网格文件pipe.msh，开启Fluent 3D双精度求解器（Double Precision），（这里是典型的狭长管道，需要开启

2、双精度求解器）。 读入网格后应检查网格及网格尺寸，通过Mesh下的Check和Scale进行实现，这里不做详细描述。2 求解模型的设定 求解器设置。这里保持默认的求解参数，即基于压力的求解器定常求解。下面说一说Pressure-based和Density-based的区别：a. Pressure-Based Solver是Fluent的优势，它是基于压力法的求解器，使用的是压力修正算法，求解的控制方程是标量形式的，擅长求解不可压缩流动，对于可压流动也可以求解；Fluent 6.3以前的版本求解器，只有Segregated Solver和Coupled Solver，其实也Pressure-Ba

3、sed Solver的两种处理方法；b. Density-Based Solver是Fluent 6.3新发展出来的，它是基于密度法的求解器，求解的控制方程是矢量形式的，主要离散格式有Roe，AUSM+，该方法的初衷是让Fluent具有比较好的求解可压缩流动能力，但目前格式没有添加任何限制器，因此还不太完善；它只有Coupled的算法；对于低速问题，他们是使用Preconditioning方法来处理，使之也能够计算低速问题。Density-Based Solver下肯定是没有SIMPLEC，PISO这些选项的，因为这些都是压力修正算法，不会在这种类型的求解器中出现的；一般还是使用Pressur

4、e-Based Solver解决问题。基于压力的求解器适用于求解不可压缩和中等程度的可压缩流体的流动问题。而基于密度的求解器最初用于高速可压缩流动问题的求解。虽然目前两种求解器都适用于各类流动问题的求解（从不可压缩流动到高度可压缩流动），但对于高速可压缩流动而言，使用基于密度的求解器通常能获得比基于压力的求解器更为精确的结果。 流动模型设置。这里使用的是湍流模型，Define/Models/Viscous。a. 这里我们使用的湍流模型是Standard 模型，这种模型应用较多，计算量适中，有较多数据积累和比较高的精度，对于曲率较大和压力梯度较强等复杂流动模拟效果欠佳。一般工程计算都使用该模型，

5、其收敛性和计算精度能满足一般的工程计算要求，但模拟旋流和绕流时有缺陷。b. 壁面函数的选择，我们这里选择的是，增强壁面函数法。其不依赖壁面法则，对于复杂流动，特别是低雷诺数流动很合适。其缺点在于，要求网格密，因而要求计算机处理时间长，内存大。（这里选择增强壁面函数，并没有说明原因，我认为是考虑雷诺数较小的缘故。）3 材料物性设置设置材料为water-liquid(h20)，Define/Materials，这里不再详述。4 计算域设置一般来讲，计算域与边界条件在建模时已确定，这里只是根据具体需要，设置相关参数。计算域在这里默认，Define/Cell Zone Conditions，设定流体介

6、质为液态水。5 边界条件设置 设置进口的边界条件。从Zone列表中选择inlet，并设置Type为velocity-inlet。再单击Edit弹出Velocity Inlet对话框。Momentum设置：设置入口速度为，而Specification Method中的设置如图。在Turbulence Specification Method （湍流定义方法）下拉列表中，可以简单地用一个常数来定义湍流参数，即通过给定湍流强度、湍流粘度比、水力直径或湍流特征长在边界上的值来定义流场边界上的湍流。这里选择Intensity and Hydraulic Diameter，湍流强度与水力直径的确定有相应的

7、计算方法，这里只是采用估算来加以确定。计算雷诺数：，可求得为本文给出了Turbulent Intensity的计算公式：Turbulent Intensity，可得到其值为4.8（暂未理解该公式，留予以后讨论） 设置出口的边界条件。从Zone列表中选择outlet，并设置Type为pressure-outlet。再单击Edit弹出Pressure Outlet对话框。压强出口边界条件在流场出口边界上定义静压，而静压的值仅在流场为亚声速时使用。如果在出口边界上流场达到超音速，则边界上的压强将从流场内部通过差值得到。其他流场变量均从流场内部通过插值获得。Momentum设置：使用默认的表压参数值，

8、因为出口为大气压，而Specification Method中的设置如图。而对于模型，这里的紊流参数和前面相同，设置如图：6 求解 Solution Methods：在Momentum、Turbulent Kinetic Energy和Turbulent Dissipation Rate 下拉列表中均选择Second Order Upwind，因为流场并不复杂，所以用户可以直接使用高阶格式。如果是复杂流动，则推荐使用一阶格式获得收敛后，再设置离散格式为高阶格式。 Solution Initialization：对于稳态问题，计算的初始化并不显得那么重要，这里只将Compute from下拉列表

9、中选择inlet，然后点击Initialize按钮。 激活残差图，并设置收敛标准。Solve/Monitors/Residuals，在所有方程式的Absolute Criteria文本框中输入1e-06。 Run Calculation：设置迭代步数，开始迭代，这里设置为400。7 后处理 创建等值面图。Surface/Iso-Surface，从From Surface列表中选择symmetry，从Surface of Constant下拉列表中选择Mesh和X-Coordinate，在Iso-Values文本框中输入0，在New Surface Name文本框中输入centre-line，这

10、个面显示沿管道轴线的速度变化。创建另一个平面x-0，不选择From Surface列表中的symmetry，在New Surface Name文本框中输入x-0创建XY图Display/Plots/XY Plot单击Set Up按钮，弹出Solution XY Plot对话框，从Surfaces列表中选择centre-line，设置Plot Direction为X=0，Y=0和Z=1,从Y Axis Function下拉列表中选择Velocity和Z Velocity，单击Axes按钮，弹出Axes-Solution XY Plot对话框，勾选Options选项组中的Major Rules复选

11、框和Minor Rules复选框，同理对Y轴也做同样操作，最后单击Plot。如图所示的速度图可以用来计算管道入口段的长度，速度达到99.9%时的距离即为入口段长度。由以上计算得到的图，入口段长度为（此处计算结果并不是这样，原因有待于进一步研究），这与本书参考文献的报告值相符。计算出口的摩擦系数摩擦系数被用以表示管道的压降，其定义为：其中为沿管道长度的压降，为管道直径，为管道横截面的平均速度，为流体密度压力平衡后，剪切力使该式的形式变为：式中，为壁面的剪切应力。创建壁面和出口交界面的线。Surface/Iso-Surface从From Surface列表中选择wall，从Surface of C

12、onstant下拉列表中选择Mesh和Z-Coordinate，在Iso-Values文本框中输入20，在New Surface Name文本框中输入wall-outlet。报告面积分Report/Result Reports/Surface Integrals计算出口的平均剪切应力，从Report Type下拉列表中选择Area-Weighted Average，从Field Variable下拉列表中选择Wall Fluxes和Wall Shear Stress，从Surfaces列表中选择wall-outlet，单击Compute。Area Weighted Average(pascal

13、)中显示的剪切力值为0.00085945718计算出口的平均速度从Report Type下拉列表中选择Mass-Weighted Average，从Field Variable下拉列表中选择Velocity和Z Velocity，从Surfaces列表中选择outlet，单击Compute。Mass-Weighted Average(m/s)中显示平均速度值。摩擦应力以下式计算 显示壁面Y+的值。Display/Graphics and Animation/Contours，设置如图结果如图大多数计算域的Y+值大于5（这里似乎并不是这样），除了进口附近节点以外。这表明增强型壁面处理方式作为壁面

14、函数是可以接受的。 激活镜像平面，查看完整几何模型。Display/Views，从Mirror Planes列表中选择symmetry，单击Apply，如图。 显示平面的速度云图。Display/Graphics and Animation/Contours，设置如图结果如图 创建等值面，并显示该平面的速度云图。其中Draw Profiles是将速度分布以侧面显示出来。图形如图 创建动画。Display/Graphics and Animation/Scene Animation单击add按钮，第一个名为Key-1的帧将被添加到Keys列表中。设置动画帧，Display/Scene，从Name

15、s列表中选择profile-8-velocity-magnitude，单击Iso-Value对话框。在Value中输入10，单击Apply按钮。在Animate面板中的Frame中输入150，单击Add按钮。最后一个帧的名为Key-150，将其加到Keys列表中。单击开始按钮，图形窗口将显示变化过程。 创建不同轴线位置，显示速度矢量。Surface/Line/Rake，在x0、y0和z0中都输入0，在x1、y1和z1中分别输入0、0.5和0，在New Surface Name文本框中输入line=0，单击Create按钮。类似的，使用z0和z1的值创建6个或更多的面，并且分别设为0.5、1、1.5、2、2.5和3等。显示速度矢量，如图：-