CNChapter4分布阻力和风扇模型.ppt

Advanced CFD 培训手 册 第四章 分布阻力和风扇模型 Advanced CFD 培训手 册 4-2 目标 模拟流场特征的影响时，不需要模拟具体的几何特征 建立分布阻力的概念 定义 “分布阻力”项 列出分布阻力应用的例子 描述如何应用分布阻力 执行 方向相关 Advanced CFD 培训手 册 4-3 课程 1 目标 (续) 模拟形状因子损失 模拟摩擦损失 模拟渗透损失 分布阻力建模指导 描述风扇模型 例 1 例 2 Advanced CFD 培训手 册 4-4 分布阻力概念 分布阻力的目的是：不需要建立几何特征的几何细节而模拟问题域几 何特征的压降。 在流体建模方面，分布阻力对建模很有利。 Advanced CFD 培训手 册 4-5 分布阻力概念 (续) 需要模拟分布阻力的物理现象可分为四类: 1. 摩擦损失 含热交换器的管流 通过不规则截面流道的流动 - 模拟为一个管 Advanced CFD 培训手 册 4-6 分布阻力概念 (续) 2. 形状因子损失 通过弯管或T形管的流动 通过阀门的流动 3. 渗透性 地下水流 通过过滤器的流动 4. 风扇 (或泵) 风扇 泵 Advanced CFD 培训手 册 4-7 形状损失因子摩擦损失渗透性损失 分布阻力是如何施加的 分布阻力作为源项加在动量方程中，它们通过实常数作为单元量施加 。 Advanced CFD 培训手 册 4-8 方向相关 在分布阻力关系中，有三种类型的方向相关: 类型 1 - 各向同性 各方向的阻力因子是一样的 Advanced CFD 培训手 册 4-9 类型 2 - 在一个方向的强迫流动 设置 x, y 或 z 方向的阻力因子 在非流动方向的阻力因子自动设为很大的值 类型 3 - 方向相关阻力 每个方向有自己的参数 方向相关 (续) Advanced CFD 培训手 册 4-10 形状损失因子 K 是单位长度的形状损失因子 K 值通常从手册比如 Idelchik 中获得 表示流动横截面改变（比如障碍物）引起的压降 通常加到一个局部区域 Advanced CFD 培训手 册 4-11 L 是有限元模型中施加阻力的长度. KFLOTRAN = Khandbook / 2L FLOTRAN中gc=1 , 通过使用一致单位 实现 形状损失因子(续) 在Idelchik中K 是无量纲数, 在FLOTRAN中，单位为1/L（每单位长 度，因为它作为单元量施加）。 Advanced CFD 培训手 册 4-12 摩擦损失 施加到流动通道 摩擦因子小于1 不是壁面粗糙度摩擦因子, FLOTRAN假设一个光滑壁面 FLOTRAN 摩擦因子等于Darcy 摩擦因子的一半 Advanced CFD 培训手 册 4-13 从文献中, 水头损失的Darcy 方程式为 : 对层流的Moody 图表关系为 替代并重组, 摩擦损失(续) Advanced CFD 培训手 册 4-14 FLOTRAN中摩擦压力损失表示为: a 和 b 是用户指定的常数. 层流:a=32b=1 湍流:a=0.158b=0.25 常数值为Darcy 因子的一半 (Fanning因子的两倍). 摩擦损失(续) Advanced CFD 培训手 册 4-15 Q = 流率 k = Darcy渗透系数 L = 样品长度 A = 样品截面积 h = 水头 渗透性 通常用于模拟流过多孔介质的流动 C 的单位为 1/L2 Darcys法则 Advanced CFD 培训手 册 4-16 K =渗透性, 经验常数 (长度2) fluid = 流体重量单位(质量/长度3) m = 流体粘性 (质量*时间/长度2) 渗透性 (续) k, Darcy渗透系数与流体和多孔介质的材料性质相关. k 单位为“长度/时间” 多孔介质材料的渗透性由K表征 Advanced CFD 培训手 册 4-17 渗透性 (续) FLOTRAN 渗透性是多孔材料渗透性的倒数. Advanced CFD 培训手 册 4-18 在ANSYS/FLOTRAN中分布阻力的应用 在前处理 (PREP7)菜单选择实 常数 选择Add. 在此例中，我们已定 义单元类型1为FLUID141. OK Advanced CFD 培训手 册 4-19 ANSYS/FLOTRAN中分布阻力的应用(续) 选择分布阻力或风扇模型 输入合适的值. 注: 实常数号必须大于1 ，因为 FLOTRAN 忽略实常数1。 Advanced CFD 培训手 册 4-20 分布阻力建模指导 任何分布阻力损失类型的组合对任何方向相关类型的组合都有效. 等向摩擦损失 + 等向渗透性 x向渗透性 + 等向形状损失因子 分布阻力可以用在任何坐标系和/或旋转流动. Advanced CFD 培训手 册 4-21 分布阻力建模指导 (续) 局部分布阻力在流动阻力方向产生较大梯度, 这就需要加密网格! 在阻力严重改变的邻接区域，可用人工粘性光滑速度场 对分布阻力，在获取精确收敛的解方面，网格加密比人工粘性更有效. 当局部网格较粗时，用分布阻力可能会产生质量不平衡。 Advanced CFD 培训手 册 4-22 分布阻力建模指导 (续) 如果分布阻力本身引起明显的湍流，那么应关闭湍流模式。 分布阻力通常用来完整地模拟几何体的压力效果。 要关闭湍流模型, 先选择分布阻力区的所有节点。 Advanced CFD 培训手 册 4-23 D, ALL, ENKE, 0 D, ALL, ENDS, 1 分布阻力建模指导 (续) 下一步, 用边界条件命令设湍流动能 (ENKE)为零、湍流能量耗散 (ENDS)为1 (在分布阻力区域), 比如： Advanced CFD 培训手 册 4-24 风扇模型 风扇(或泵) 可模拟动力源。 风扇 (泵) 模型不描述风扇(泵)附近流动的细节。 风扇 (泵) 模型只是近似地模拟问题域中风扇 (泵)的效果。 Advanced CFD 培训手 册 4-25 风扇模型 (续) 风扇模型方程以流动方向压力梯度的形式表示。 需要知道风扇 “长度” 常用体积流表示压头-流量曲线 用风扇（泵）的实际面积计算出口速度 Advanced CFD 培训手 册 4-26 P = 压力 s = 通过风扇的距离 V = 通过风扇的速度 风扇模型 (续) 以实常数方式输入风扇模型常数. 保持单位一致! Advanced CFD 培训手 册 4-27 风扇模型 (续) 第四类风扇模型沿一确定的单个坐标方向作用 第五类风扇模型可在与总体坐标所构成的任意角度方向作用 Advanced CFD 培训手 册 4-28 例 1 一个K系数可用于在管道端部产生压降 Vinlet 估计网格灵敏度和人工粘性效果 Advanced CFD 培训手 册 4-29 例 1 (续) 没有分布阻力的管道参数是: P 0.05 psi Re 4 x 106 V平均 = 111.7 in/sec 有效粘性 10-6到10-5 加压降 P = 1.50 psi Advanced CFD 培训手 册 4-30 例 1 (续) 计算 K = 1.185 预期 DPtotal = 1.55 psi Advanced CFD 培训手 册 4-31 例 1- 网格 A (续) Advanced CFD 培训手 册 4-32 例 1 - 网格 B (续) Advanced CFD 培训手 册 4-33 例 1 - 网格 C (续) Advanced CFD 培训手 册 4-34 例 1 (续) 结果比较 压降精度 质量平衡 Advanced CFD 培训手 册 4-35 例 1 (续) 预期压降 = 1.55 A.V. 是人工粘性 Advanced CFD 培训手 册 4-36 例 1 (续) 进口流率 = 0.04803 Advanced CFD 培训手 册 4-37 例 1 (续) 结论 适度网格加密很有帮助. 人工粘性改善结果 Advanced CFD 培训手 册 4-38 例 2 模拟含热交换器的管流。摩擦因子可用来模拟流动通过24个平行小管 （热交换管）和一个大管。 每个小管的半径为0.5 流体性质 : = 1.0 m = 0.025 Re = 200 (对小管) 管长 5 Advanced CFD 培训手 册 4-39 例 2 (续) 确定管几何尺寸和分布阻力，使其很好匹配长度5上的压降为20 为匹配相应质量流动，等效管面积为: Advanced CFD 培训手 册 4-40 从雷诺数, 已知压降(20)用于计算摩擦因子。等效管长取5. 例 2 (续) Advanced CFD 培训手 册 4-41 对层流, 对小管: 下一步找到大管中的压降，用分布阻力构造其余部分。 例 2 (续) Advanced CFD 培训手 册 4-42 例 2 (续) 对大管, 计算雷诺数: 大管压降为: Advanced CFD 培训手 册 4-43