fluent背向台阶CFD模拟.doc

基于ANSYS-FLUENT的背向台阶CFD模拟背向台阶作为一种标准装置，常用来验证流动循环、流动黏着等流动特性以及测试各种模型和方法。目的：（1） 应用GAMIBIT网格生成软件，学习网格生成和导出过程。（2） 应用ANSYS-FLUENT软件，学习边界条件的设定和计算模型的选择。（3） 探究CFD软件的后处理方法。问题的描述通过下面给出的后向台阶具体条件，计算其中的层流流动。按入口速度进行无量纲化后处理后得到的流动条件为：入口速度：ux=1，uy=0；流动特性：密度：=1；动力粘度：=1/Re。出口边界定义为流出条件，其他计算边界采用无滑移条件。流动中忽略湍流，并且没有热量传递。操作过程（1） 生成网格启动GAMBIT，在Solver菜单下选择FLUENT 5/6，对后向台阶创建网格，采用结构化网格在没有进行网格细化的情况下绘制3种不同密度的网格，如图1。(a)(b)(c)图1 未细化的网格第二种网格数为第一种的4被，第三个网格数目为第一种的16倍。因为背向台阶内流动变化最剧烈的是在台阶位置，我们也主要研究在台阶处的流动，所以，可以对台阶处的局部网格进行细化，使台阶附近的网格密度为其它区域的4被，建立两种细化网格，如图2。(d)(e)图2 台阶处细化的网格网格生成后，定义个边界，入口inlet定义为VELOCITY_INLET，出口outlet定义为OUTFLOW，其它bottom1，bottom2，top以及wall定义为WALL，如图3。图3 定义边界至此，网格已经制作完成，保存，并输出2d mesh网格。（2） 用ANSYS-FLUENT进行模拟计算首先在相同的条件下分别对五种网格进行计算，并比较结果。启动FLUENT， 2d为二维单精度，2ddp为二维双精度，此例选择2d即可。在FLIE菜单下，选择read-case，读取网格文件。在Grid菜单下，选择check，检查后，网格无错误，可以应用。在define菜单下，选择计算方法和湍流模型，本例选择默认，如图4。图4 湍流模型 选择材料，编辑材料属性，材料名称命名为fluid，密度设置为1，粘度为0.01，如图。图5 定义材料 定义边界条件，在选择Boundary Conditions，入口inlet定义为速度入口，速度定义方式为components，x方向速度设为1，y轴方向速度为0。出口outlet定义为outflow，如图。其他条件设为默认。图6 入口边界条件图7 出口边界条件 在solve菜单下，选择initialization，对计算初始化，选择从入口inlet开始。图8 初始化再定义精度为0.0001，定义好条件以后，选择计算次数就可以进行计算了。在雷诺数都为100的条件下分别计对五种网格进行模拟，计算过程，以及得出的压力分布图，速度分布图，速度矢量分布图和散点图，分别如图所示。 (a) (b)(c) (d)(e)图9 残差图（a、b、c、d、e分别为五种网格下的计算残差图）计算次数分别为：a为50次，b为95次，c为180次，d为70次，e为140次。(a)(b)(c)(d)(e)图10 压力分布图a、b、c相比随着网格密度的正大，流体压力分布更连续更均匀，a与d，b、c与e相比变化不明显。(a)(b)(c)(d)(e)图11 速度数值分布图a、b、c图虽然网格密度增大，但是速度分布大致相同，只是在入口和出口处的分布网格密度大时更精确，a中台阶处速度均匀分布，b、c中可以看出在台阶处有一椭圆形区域，猜测为在该处产生漩涡，液体滞留在其内部，b、c的速度分布差别不大。再与d、e比较，e和c的分布大致相同。(a)(b)(c)(d)(e)图12 速度矢量分布图在网格比较稀疏的时候，台阶区域速度无法描述出来，随着网格密度的增加，台阶区域的速度分布越来越精确，可以明显的看出有漩涡产生，随网格密度增加重附着点位置越来越靠后，但是变化越来越小。在台阶区域细化后，在减少计算量的情况下同样可以很好的描述台阶区域的速度分布，与未细化的网格相比，细化的网格计算减少了25次和40次，但是计算结果相差不大。图13 散点图（网格密度逐渐增加）经过比较上述结果可以得到独立性网格，本例选网格(e)作为独立性网格。（3） 对于网格(e)，计算雷诺数分别为50、150、200时的流动结果。 雷诺数分别为50、150、200的速度对应为0.5、1.5、2，只需修改入口速度。图14 设定不同雷诺数的速度将雷诺数为100的结果放入计算结果中比较。(a)(b)(c)(d)图15 压力分布图雷诺数越大，速度越快，在台阶区域的压力越小，并且较小压力的区域越大，压力分布越不均匀，出口处的压力变大。压力最小处在台阶位置，在入口处压力最大。(a)(b)(c)(d)图16 速度数值分布图雷诺数越大，随着随度的增加，台阶处漩涡范围增加，台阶区域的液体的最小速度变大，在入口和出口处形成稳定流动所需要的区域更大。在壁面出液体速度梯度增大。速度矢量图也可得到相似的结果。在台阶上部流体的速度最大，这与该处液体的压力最小相符合，符合能量守恒。(a)(b)(c)(d)图17 速度矢量分布图图18 散点图（雷诺数逐渐增大）随着雷诺数的增加，重复着点逐渐向后移动，这与速度分布图的结果相符合。由于速度增加，流体经过更长的区域才能接触到底部，才能形成反流，所以重复着点随速度增加（雷诺数增加）而向后移动。（4）当边界有滑移现象时背向台阶模型内的流动模拟 之前的模型，各壁面均为无滑移条件，即相对于流体是静止不动的，但有时候也会存在壁面相对流体运动的情况，本例假设背向台阶的上表面为滑移壁面，速度为沿x轴0.5，利用上例的网格与条件雷诺数为100时，只需改变top壁面的类型即可，如图19。Top绝度速度设为0.5。图19 top壁面为滑移壁面图20 压力分布图21 速度分布图22 速度矢量图图23 散点图 从计算结果可以看出，在入口处靠近top壁面的压力小于底部，压力在整个流域内先减小在增加