不同工况下某型号容器内液体的流动特性分析毕业论文.docx

目录摘要1 引言2 利用Solidworks建立计算模型2.1 SolidWorks软件简介2.2 零件特征建模2.3 容器内部计算模型3 利用GAMBIT对计算模型进行网格划分3.1 GAMBIT软件简介3.2 对求解模型进行网格划分3.3 设置边界类型3.4 输出网格文件并保存会话4 利用FLUENT 3D求解器进行求解4.1 FLUENT软件简介4.2 控制方程和数值模拟4.3 计算结果的后处理结论致谢参考文献 不同工况下液体在某型号容器内的流动特性分析作者：张二甲 指导老师：朱林（安徽农业大学 工学院 10机制 合肥230036）摘要：在日常生活中随处都能见到各种各样的容器，大至实验用的各种巨型专用容器，小至日常生活中接触到的水杯、饮料瓶等，容器的使用使得我们的生活越来便利，可以说我们现在的生活已经离不开容器。当容器内存入一定量的液体后，在一定的条件下容器内的液体会以一定的方式有规律的运动。由于使用实验的方法成本较高并且工作量很大，有时候计算结果也不是很准确，所以本文是借助计算机软件对在旋转物体中的三维湍流流动进行形象直观的分析。涉及到使用非耦合的求解器解决带有自由表面的额瞬态流动、重力模型的应用、在区域的子集中修补初始条件、定义一个函数、使用速度矢量和体积比例曲线察看流体的流动和自由表面形状等一系列的方法。关键词：容器FLUENT流动特性1引言自从1687年牛顿定律公布以来，直到本世纪50年代初，研究流体运动规律的主要方法有两种：一是实验研究，以实验为研究手段；另一种是理论分析方法，利用简单流体模型假设，给出某些问题的解析解。前者耗资巨大，而后者对于较复杂的非线性流动现象目前还有些无能为力。20世纪70年代以来，飞速发展起来的计算流体力学为实验研究和理论研究都起到了促进作用，也为简化流动模型提供了更多的依据，使很多分析方法得到发展和完善。实验研究、理论分析方法和数值模拟已经成为当前研究流体运动规律的三种基本方法。任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、N-S方程。采用数值计算方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律，这样的学科就是计算流体力学。尽管流动规律仍然满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，但是流体力学不同于固体力学，一个根本原因就是在于流体的流动过程中发生了巨大的形变，是的问题求解变得异常复杂。其控制方程属于非线性的偏微分方程，除了几个简单问题以外，一般来说很难求得解析解。为此，对具体问题进行数值求解就成为研究流体流动的一个重要的研究方向和方法，其基础就是计算流体力学。对于大多数人来说，不必要掌握流体力学微分方程的求解以及计算流体力学的深入研究，但在工作中又需要对某些具体的流动过程进行分析、计算和研究，由此计算准确、界面友好、使用简单，又能解决问题的大型商业计算机软件应运而生。目前，比较著名的有FLUENT,CFX,STAR-CD等，本次设计计算主要使用FLUENT软件。2利用SolidWorks建立计算模型2.1SolidWorks软件简介SolidWorks功能强大、组件繁多，是与UG、Pro/ENGINEER、CATIA等齐名的世界著名三位设计软件之一。它在航空航天、汽车、机械、模具和家用电器等工业领域的应用非常广泛。易学易用、功能强大、性能卓越是其最大优点。它具有基于特征、参数化和实体造型等特点整个设计基于装配关系进行，装配的基础要素是相关的零件，零件由若干参数化的可以基于装配关系的特征堆砌而成，特征是与机械设计的表达意图相关的一些简单几何形体，这些几何形体的基础是参数化的、可以基于装配关系的二维或三维草图，而草图又是一些简单的图线，可以用几何关系、装配关系和驱动尺寸加以约束。 SolidWorks是基于Windows平台开发的其操作界面大量吸收了Windows界面的优点。其首创的特征管理员，能够将设计过程中的每步记录下来，并形成特征管理树，置在屏幕左侧。设计师可以随时点取任意特征进行修改，还可以随时调整特征树的顺序，以改变零件形状。2.2零件特征建模零件是SolidWorks系统中最主要的对象。传统的CAD设计方法是由平面（二维）到立体（三维），而在SolidWorks系统中却是工程师直接设计出三维实体零件，然后根据需要生成相关的工程图。在Solid Works系统中，零件、装配体和工程图都属于对象，零件设计是核心，特征设计是关键，草图设计是基础。建模在虚拟产品开发过程中发挥着重要作用，同时基于特征的实体建模技术已成为虚拟设计创建产品零件实体模型的基础。据研究表明零件实体建模的质量自80年代以来被公认为是解决产品开发与过程设计信息集成问题的有效而实用的手段。 零件是由特征组成的单一三维物体。在SolidWorks中，特征是各种单独的加工形状，当将它们组合起来即形成各种零件。无论创建多么复杂的零件三维实体模型，其基本原理都是一致的，其基本原理主要包括：（1） 绘制二维草图；（2） 使用拉伸、旋转、扫描和放样等方法创建基础三维实体特征；（3） 在基础三维实体特征上再创建圆角、倒角、拔模、孔、壳等放置特征；（4） 依次完成所有零件的建模后，接着就是组件的装配，最后是整机的装配工作。 在零件的建模过程中，不是一次就完成零件的建模，实际上这是一个需要反复修改设计结果的过程。在实体建模完成后仍可以返回编辑和修改二维草图，实体模型会根据修改自动重建。2.2.1容器建模由于本次论文主要对容器内部液体进行研究，故只对容器建模做论述（1） 打开solidworks，新建零件图，绘制草图1（2） 通过旋转特征操作得到该容器的三维图形图1 容器旋转特征操作草图1 图2 该容器的三维图形2.2.2容器二维图 此处的二维图在Solidworks中即为工程图，工程图的基础是将三维模型按正投影的方法投影到平面上，形成基本的三视图以及其他派生视图。该容器工程图如下图3所示：图3 容器零件图2.3容器内部计算模型由于Solidworks所作出的三维实体不能直接导入到GAMBIT里进行网格划分，所以应将容器内的计算模型另存为.x-t格式方便导入GAMBIT。容器内部的计算模型建模和容器建模过程相同，此处不再详述。图4 容器内部计算模型旋转特征草图 图5 计算模型 3利用GAMBIT对计算模型进行网格划分3.1GAMBIT软件简介GAMBIT是fluent公司推出的一款网格生成软件（相对于计算结果的后处理，也有人习惯于把网格生成软件称为前处理软件），其主要功能包括几何建模和网格生成。可以导入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数CAD/CAE软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证GAMBIT与CAD软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量GAMBIT可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格，并且可为FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS等解算器生成和导出所需要的网格和格式。并且具有强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度3.2对求解模型进行网格划分3.2.1将求解模型导入GAMBIT（1）启动GAMBIT并选择FLUENT5/6求解器（2）通过FILE-Import将Solidworks创建的求解模型导入到GAMBIT内 图6 导入到gambit的计算模型3.2.2对导入的求解模型进行网格划分GAMBIT具有强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格。GAMBIT中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格。在网格划分中分网的工作量大，需要考虑的问题多，网格形式直接影响结果精度和模型规模，因此分网是建模过程中最为关键的环节。划分网格一般应考虑以下一些原则：（1）网格数量。网格数量的多少直接影响结果精度和计算规模。网格数量增加，结果一般会随之提高。网格数量增加，一般增加单元形成时间、求解方程时间、网格划分时间。（2）网格疏密。是指结构不同部位采用不同大小的网格，采用不同的网格划分时，应注意疏密网格间的过渡。（3）单元阶次。很多单元都有低阶和高阶形式，采用高阶单元的目的为提高精度，单高阶单元的节点较多，使用时应权衡精度和规模综合考虑。（4）网格质量。是指网格几何形状的合理性。（5）位移协调性。应注意：一个单元的节点必须同时是相邻单元的节点，而不是内殿或边界点。相邻单元的节点自由度性质不同时，一个单元上的力矩不能通过节点传递到另一个单元。（6）网格布局。当结构形状对称时，划分的网格应尽量具有形式的对称性，以使结构在个对称点上表现出相同特性。动态分析时，即使结构形状是对称的，但不对称的网格布局也会导致质量不对称。（7）节点与单元编号。分网时需对节点和单元进行编号，不同的编号方式也将影响数值计算的时间和所存储容量。合理的编号能够大幅度减小计算时间和存储容量。对该求解模型进行网格划分时网格划分参数设定如下图7所示：type项选择TGrid（由面生成体网格），spacing项考虑到求解模型的尺寸和后面使用FLUENT软件进行迭代计算设置为80。网格划分完成后应对所划分的网格质量进行检测。图7 网格划分设置对话框 图8 划分完成的网格3.3设置边界类型边界类型设定确定了模型中那些代表模型边界的拓扑结构实体的物理特性和操作特性。本文要分析的是一个敞开到大气的大容器，顶部半径为1m，高为1m，内部高度的1/3充满了水，水的上部为空气。容器以角速度3rad/s匀角速度旋转，定义一个Vz=3r的外部条件，利用FLUENT-3D求解器计算容器内部的水流情况以及自由表面形状的变化过程。定义模型的开口处为inlet，type项选择pressure-inlet，模型的周边和底面定义为wall，type项选择wall。如下图： 图9 显示属性设置对话框 图10 边界类型设置对话框3.4输出网格文件并保存会话该模型在GAMBIT里网格划分完毕后，应输出.msh文件方便使用FLUENT软件进行特性分析。同时对GAMBIT网格划分结果保存。图11 网格文件输出对话框图12 保存会话对话框4利用FLUENT 3D求解器进行求解4.1FLUENT软件简介FLUENT是美国FLUENT公司开发的集流场、燃烧和热、质量传输以及化学反应于一体的商业CFD软件，也是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。FLUENT是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。FLUENT还可根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要在加密的流动区域内实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。FLUENT软件的最大特点是具有专门的几何模型制作软件GAMBIT模块，并可以与CAD连接使用，同时备用很多附加方程添加接口，使用了目前较先进的离散技术和计算精度控制技术，如多层网络法、快速收敛准则以及光滑残差法等，数学模型的离散化合软件计算方法处理较为得当。实际应用中发现，该软件在模拟单相流动或进出口同向或方向流动时，可以得到较好的模拟结果，且具有一定的计算精度。FLUENT软件包主要具有常用的6种湍流数学模型、辐射数学模型、化学物质反应和传递流动模型、污染物质形成模型、相变模型、多相模型、流团移动模型、多孔介质、多孔泵模型等。FLUENT软件的核心部分是纳维斯托克斯（Navier-Stokes）方程的求解模块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法，包括SIMPLE、SIMPLEC、PISO三种算法，采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都要优于传统编程中使用的有限差分法。而对于可压流动采用耦合法，即将连续性方程、动量方程以及能量联立求解。FLUENT软件主要由前处理、求解器以及后处理3大模块组成。采用自行研发的GAMBIT前处理软件来建立几何形状及生成网格，然后由FLUENT进行求解。4.2控制方程和数值模拟4.2.1 控制方程与标准k-湍流模型本文要分析的是在容器内底部1/3部分为液态水，容器上部2/3为空气，容器绕着中心轴线以3rad/s等角速度旋转，定义一个Vz=3r的外部条件，分析该液态水在容器内的流动特性。不可压缩流体的连续方程在空间直角坐标系中的表达式为： （1）对于不可压缩黏性流体的N-S方程，在空间直角坐标系中的表达式为： （2）上述方程（2）再加上连续性方程（1）原则上就可以求得不可压缩黏性流体流场的解。但由于N-S方程中出现了速度的二阶导数，它的普遍解在数学上还有困难，只有某些特殊情况才能使方程得到充分简化，求出近似解。由于此流场处于湍流状态，因此采用标准k-方程模型。标准k-方程模型的湍动能k和耗散率方程如下： （3） （4）式中：Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能，Gb为由于浮力引起的湍动能，Ym为可压缩湍流脉动膨胀对中耗散率的影响。湍流黏性系数： （5）在FLUENT中，作为默认值常数，=1.44，=1.92，=0.09，湍动能k与耗散率的湍流普朗特数分别为=1.0，=1.3。4.2.2使用FLUENT软件对求解模型进行计算1、首先读入3D网格文件，然后检查网格并设置长度单位。在读入网格文件后网格检查非常必要，如果不满足条件FLUENT将不能对此模型进行计算模拟。（1）网格检查能够列出X、Y、Z的最小值和最大值；（2）网格检查还将报告出网格的其他特性，比如单元的最大体积和最小体积、最大面积和最小面积等；（3）网格检查还会报告出有关网格的任何错误，特别是要求确保最小体积不能为负值，否则FLUENT无法进行计算；（4）在SI单位制中，默认单位为m，若要改变单位制，要使用“Scale Grid”对话框。图13 网格检查信息反馈图14 计算模型网格图2、设置求解器FLUENT求解器有2D和3D两种，本次计算选择的是3D求解器。FLUENT的求解方法主要有非耦合求解、耦合隐式求解和耦合显式求解。非耦合求解主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。耦合求解方法则可以用在告诉可压缩流动。FLUENT默认设置是非耦合求解，但对于告诉可压流动，或需要考虑体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题是网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法求解能量和动量问题，可以较快的得到收敛解。缺点是需要的内存比较大，是非耦合求解迭代时间的1.52.0倍。如果必须要耦合求解，但是机器内存不够时，可以考虑用耦合显式解法器求解问题。该解法器也耦合了动量、能量及组分方程，但内存却比隐式求解方法小。缺点是收敛时间比较长。由于求解模型是上部2/3部分为空气，下部1/3部分为液态水，所以应设置VOF模型，将空气设定为基本相，水设定为第二相，从材料数据库中复制液态水作为第二流体。将水设置成第二相，主要是为了对问题设定时的方便。在进行初始化时，需要对容器底部1/3部分（充满了水）补充设置初始旋转速度。在顶部区域设置空气的体积比为1，在这一区域设置水的体积比为1，这样设置对求解较为方便。另外，在压力进口边界上默认的体积比为0，这在设置水为第二相时是正确的。一般来说，哪个定义为基本相，哪个定义为第二相都是可以的，但应考虑到建立模型的方便和对问题求解的精确与快速。并且在Model项选择k-epsilon2 eqn设置标准的k-湍流模型3、运算环境设置和边界条件边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值。它是FLUENT分析的很关键的一部分，设定边界条件必须小心谨慎。由于该容器是绕着中心线为X轴恒角速度旋转，所以重力加速度方向应沿着X轴的正向，设置在X轴正方向上的加速度为9.81m/s2。保留Operating Density下的默认数据，即空气密度为1.225kg/m3。设置工作流体的密度为较轻相的密度排除了在较轻相中建立水静压力的计算，改善的动量平衡的计算精度。图28 运算环境设置对话框运算环境设置完成后应对该求解模型的边界条件进行设置。设定fluid项的Rotation-Axis Direction为（1，0，0），在Wall项设定角速度为3rad/s，Rotation-Axis Direction同fluid设定为（1，0，0）。 图15 设置X轴为旋转轴设置容器顶部的边界条件时由于最初在inlet边界上没有流动，需要明确定义K和。这是不能使用其他的湍流定义方法，因为其他定义方法都需要湍流强度（turbulence intensity），而此时这个值为0.此时湍动能k和耗散项的值可由下式计算： k=(Iwwall)2 =0.093/4k3/2l在上面的两个计算式中，湍流强度取I=0.05（接近于0），壁面运动最大速度wwall=3m/s；则湍动能k=0.0225m2/s2;对于耗散项，l取0.07（容器的最大半径乘以0.07），则有=0.00792m2/s3。图16 压力入口边界设置对话框设置好压力入口边界后，应检查第二相水的体积比例，由于在压力入口边界上只有空气，所以应确保水的体积比例为0。4、求解（1）在进行求解运算之前应设置其求解参数、残差监测器、初始化和设置水和空气的初始分布等。同时对于瞬态流动，观察某一特定变量值随时间的变化很有用。首先定义跟踪速度的点，然后再定义检测参数。图17 监测点设置对话框图18 初始化设置对话框下图为求解模型内空气可液态水的分布，下部1/3部分为液态水，上部2/3部分为空气。图19 求解模型的气液分布由图19可以形象的看出空气和水在容器内的分布情况，由于容器会绕着中心轴线等角速度旋转，同时内部液体有Vz=3r的速度，由此可知，容器内1/3部分的水会随着容器的旋转沿着容器壁面并沿着一个方向做螺旋向上运动然后再螺旋向下再向沿着容器壁面另一个方向做螺旋向上的运动。（2） 迭代计算迭代是重复反馈过程的活动，其目的通常是为了逼近所需目标或结果。每一次对过程的重复称为一次“迭代”，而每一次迭代得到的结果会作为下一次迭代的初始值。如下图为迭代设置对话框。 （a） （b）图20 迭代设置对话框上图（a）表明迭代时间步长为0.002s，时间间隔数为1000个，也即是迭代时间为2s。图（b）表明没迭代100次时间间隔保存一次数据，也即在迭代完成后能够得到10个数据。迭代结果如下图：图21 迭代残差曲线图图22 监测点轴向速度变化图（3）对迭代结果分析上图22中设置的监测点轴向速度的变化计算结果由于时间间隔为0.002s，在计算t=2s内的流动过程中，FLUENT会每隔0.2s自动保存一次data文件，因此将会为后处理获得10个data文件。图中显示了轴向速度随时间的变化过程。速度明显是波动的。由波幅显示出轴向速度从正值变为负值说明水在容器的边上的速度是有上下晃动的速度分量。并且其轴向速度变化很明显，说明水在容器内上下晃动的时候可能还会做左右摆动。两种运动的相互影响会使得水在容器内应做螺旋上升、下降运动，即是一种复合运动。4.3计算结果的后处理后处理的任务是对计算输出的结果进行必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对分析对象的性能或设计的合理性进行分析、评估，以做出相应的改进或优化图22中，轴向速度的变化说明流场是一个波动的流场。下面将利用计算所输出的case文件和data文件查看在不同时刻的空气和液体分布情况和速度变化情况。1、不同时刻的空气和液体分布 （a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h） （i）图23 不同时刻液态水的分布图上图中（a）-（i）分别为0.4s、0.6s、0.8s、1.0s、1.2s、1.4s、1.6s、1.8s、2.0s时刻的水在容器内的分布图，其中模型下部分代表水的分布。由这些分布图可以很容易看出水在容器内先沿着壁面向右上方运动，1s后液态水回到水平位置再沿着壁面向左上方运动。到2s时刻又回到水平位置。由此结果可以得到液体的运动