fluent--模拟例子

1 第一章第一章 一维稳态导热的数值模拟一维稳态导热的数值模拟 一 模拟实验目的和内容一 模拟实验目的和内容 本模拟实验的目的主要有 3 个 1 学生初步了解并掌握 Fluent 求解问题的一般过 程 主要包括前处理 计算 后处理三个部分 2 理解计算机求解问题的原理 即通过 对系统进行离散化 从而求解代数方程组 求得整个系统区域的场分布 3 模拟系统总 的传热量并与傅立叶导热定律的求解结果相比较 验证数值模拟的可靠性 实验内容主要 包括 1 模拟一维稳态导热平板内的温度分布 2 模拟一维稳态导热总的传热量 二 实例简介二 实例简介 h t c t 图 1 1 导热计算区域示意图 x y 如图 1 1 所示 平板的长宽度远远大于它的厚度 平板的上部保持高温 平板的下 h t 部保持低温 平板的长高比为 30 可作为一维问题进行处理 需要求解平板内的温度分 c t 布以及整个稳态传热过程的传热量 三 实例操作步骤三 实例操作步骤 1 利用利用 Gambit 对计算区域离散化和指定边界条件类型对计算区域离散化和指定边界条件类型 步骤 1 启动 Gambit 软件并建立新文件 在路径 C Fluent Inc ntbin ntx86 下打开 gambit 文件 双击后稍等片刻 其窗口布局如 图 1 2 所示 图 1 2 Gambit 窗口的布局 然后是建立新文件 操作为选择 File New 打开入图 1 3 所示的对话框 2 图 1 3 建立新文件 在 ID 文本框中输入 onedim 作为文件名 然后单击 Accept 按纽 在随后显示的图 1 4 对话框中单击 Yes 按纽保存 图 1 4 确认保存对话框 步骤 2 创建几何图形 选择 Operation Geometry Face 打开图 1 5 所示的对话框 图 1 5 创建面的对话框 在 Width 内输入 30 在 Height 中输入 1 在 Direction 下选择 X Y 坐标系 然后单击 Apply 并在 Global Control 下点击 则出现图 1 6 所示的几何图形 图 1 6 几何图形的显示 步骤 3 网格划分 1 边的网格划分 当几何区域确定之后 接下来就需要对几何区域进行离散化 即进行网格划分 选择 Operation Mesh Edge 打开图 1 7 所示的对话框 3 图 1 7 边网格划分对话框 在 Edges 后面的黄色对话框中选中 edge 1 和 edge 3 也可以采用 Shift 鼠标左键的方 法选中 edge 1 和 edge 3 然后在 Spacing 中选择 Interval count 在其左边的对话框中输入 100 即将这两个边各划分成 100 个等份 最后点击 Apply 确认 则出现图 1 8 所示的边网 格划分 图 1 8 上下边网格的划分 采用同样的方法对面的其它边进行网格划分 设定 edge 2 和 edge 4 的 Spacing 对应的 数值为 10 注意 Spacing 的类型仍然为 Interval count 可以得到如图 1 9 所示面上各边的 网格划分 图 1 9 各边的网格划分 2 面的网格划分 对边进行网格划分实际上是对计算区域的边界进行离散化 计算区域的内部同样需要 进行离散化 需要对计算区域进行面网格划分 选择 Operation Mesh Face 打开图 1 10 所示的对话框 4 图 1 10 面网格划分对话框 在 Faces 后面的黄色框中选中 face 1 选中之后 可以看到面上的边均变成红色 表示 选择成功 对话框中的其它选项均保持默认值 此时 Spacing 的类型为 Interval size 它左 边的默认值为 1 点击 Apply 确认可以看到图 1 11 所示的面网格划分情况 图 1 11 面的网格划分 步骤 4 边界条件类型的指定 在指定边界条件之前 需要选定一个求解器 因为不同求解器的边界类型不一样 这 里选择 Solve Fluent5 6 选择之后 Gambit 布局窗口标题栏中的 Solve Generic 将变成 Solve Fluent5 6 选择 Operation Zone 打开图 1 12 所示的对话框 指定边界条件的类型 5 图 1 12 边界条件指定对话框 首先指定面的上边为热源 具体操作为在 Name 右边的白色框中输入 heat 选择 Entity 下面的类型为 Edges 然后在 Edges 右边的黄色对话框中选择热源对应的边 edge 3 点击 Apply 之后就将 edge3 定义成了热源 用同样的方法可以将下边定义成冷源 cold 左右两 条边可以不需要定义 保持 Gambit 默认即可 都定义完之后 可以得到图 1 13 的边界名 称和边界类型 图 1 13 热源和冷源边界条件的指定 步骤 5 指定计算区域的类型 Gambit默认的计算区域的类型为流体 而这里墙体内部的材料为固体 因此需要设 置 设置方法为 选择 Operation Zone 打开如图 1 14 所示窗口 选择 Type 为 Solid 选择 Entity 为 Faces 并在 Faces 右边的黄色对话框中选择面 face 1 然后点击应用 即将计算区域的类型指定为固体区域 6 图 1 14 指定计算区域的类型 步骤 6 网格文件的输出 选择 File Export Mesh 打开输出文件的对话框 如图 1 15 所示 图 1 15 输出文件对话框 注意只有选择了 Export 2 D X Y Mesh 选项之后才能输出为 msh 文件 点击 Accept 之后 窗口下面的 Transcript 内出现 Mesh was successfully written to onedim msh 表示网格文件输出成功 2 利用利用 Fluent 求解器进行求解求解器进行求解 利用 Gambit 软件绘制出几何图形 划分网格 指定边界类型以及输出 Mesh 文件 然后用 Fluent 将网格文件导入 便可以对其进行数值求解 步骤 1 网格文件的读入 检查及显示 启动 Fluent 的 2D 求解器之后 首先需要对网格文件进行读入并检查 启动 Fluent 后出现下面的窗口 在 Versions 中选择 2d 点击 Run 按钮即可 7 1 网格文件的读入 选择 File Read Case 在 C Fluent Inc ntbin ntx86 下找到 onedim msh 文件并将其读 入 如图 1 16 所示 图 1 16 导入网格文件 2 检查网格文件 选择 Grid Check 对网格文件进行检查 这里要注意最小的网格体积 minimum volume 值一定要大于 0 3 显示网格 选择 Display Grid 出现网格显示对话框 如图 1 17 所示 图 1 17 网格显示对话框 网格文件的各个部分的显示可以通过 Surfaces 下面列表框中某个部分是否选中来控制 如图 1 17 所示的 Surfaces 下面列表框中的都被选中 此时单击 Display 就会看到如图 1 18 所示的网格形状 8 图 1 18 Fluent 中的网格显示 步骤 2 选择计算模型 一维导热模型的控制方程只有能量方程 只需要选择 Define Models Energy 然后 在出现的如图 1 19 所示的对话框中选中 Energy Equation 单击 OK 即完成了方程的选择 图 1 19 能量方程的选择对话框 步骤 3 定义固体的物理性质 选择 Define Materials 打开如图 1 20 所示窗口 在 Material Type 选项中选择 solid Fluent 默认的固体材料为铝 aluminum 我们假定平板的材料为铝 材料的属性取默 认值 点击 Change Create 按钮 再点击 Close 即可 图 1 20 固体材料的属性 步骤 4 设置边界条件 选择 Define Boundary Conditions 对计算区域的边界条件进行具体设置 对热源 heat 的边界类型 wall 点击 set 出现图 1 21 所示的对话框 将默认的 Thermal Condition 下的 heat Flux 改为第一类边界条件 Temperature 在 Temperature 右边的白色文本框内输入 310 用同样的方法对冷源进行设置 其温度为 300 即热源和冷源的温度差为 10K 9 图 1 21 边界条件的设定 步骤 5 求解设置 1 初始化 选择 Solve Initialize Initialize 打开如图 1 22 所示的对话框 依次点击 Init Apply 和 Close 按钮 图 1 22 初始化对话框 2 残差设置 选择 Solve Monitors Residual 打开如图 1 23 所示的对话框 选择 Options 下面的 Plot 复选项 则可在计算时动态地显示计算残差 并将 energy 右边的残差设定为 1e 08 然后点击 OK 按钮 10 图 1 23 残差设置对话框 3 迭代计算 选择 Solve Iterate 打开如图 1 24 所示的对话框 设置 Number of Iterations 为 200 然后单击 Iterate 按钮 就会显示图 1 25 所示的计算过程 图 1 24 迭代设置对话框 图 1 25 迭代求解过程 步骤 6 保存结果 选择 File Write Case Data 保存所有的设置和所有的数据 四 模拟实验结果四 模拟实验结果 经过上面的迭代计算 就可以查看模拟计算的结果 模拟结果的主要包括三个方面 1 平板内部的温度分布 2 平板内部的温度梯度 3 平板总的传热量 11 1 平板的温度分布 选择 Display Contours 出现图 1 26 所示的对话框 在 Contours of 下选择 Temperature 和 Static Temperature 单击 Display 出现一个窗口 按住鼠标中间向右拖动将 等温度图适当放大 图形的缩放 移动可以通过 Display Mouse Button 来打开 Mouse Buttons 鼠标按键 面板进行设定 即可得到如图 1 27a 所示的温度分布 在 Contours 窗口中选中 Options 中的 Filled 可以得到如图 1 27b 所示的温度分布云图 图 1 26 等温线对话框 图 1 27a 平板内的等温线分布 局部放大 图 1 27b 平板内的温度分布云图 12 从图 1 27a 可以得到 等温线在平板内部为水平分层 等温线均与壁面平行 符合一 维导热定律的理论结果 2 平板的温度梯度 Fluent 本身的计算结果不包含温度梯度 为了得到温度梯度的值 需要在 Fluent 里按 回车键 然后输入 solve 回车 接着输入 set 回车 接着输入 expert 回车 在接下来出现的 询问语句 keep temporary sover memory from being freed 后面输入 Yes 然后重复 利用 Fluent 求解器进行求解 中步骤 5 的初始化和迭代计算 就能得到温度梯度的分布 具体操 作为选择 Display Contours 出现图 1 28 所示的对话框 在 Contours of 下选择 Temperature 和 Reconsruction dT dY 单击 Compute 即可得到温度梯度的最小值为 9 998277 最大值为 10 0016 即温度梯度的值为 10 与理论结果完全一致 图 1 28 平板内的温度梯度 3 平板的总传热量 选择 Report Fluxes 打开图 1 29 所示对话框 在 Options 下选择 Total Heat Transfer Rate 图 1 29 平板的总传热量 Boundaries 下选择 heat 然后单击 Compute 即可得到平板的总热流量为 60726 6W 根据傅 立叶导热定律计算的理论结果为 60720W 相对误差为 0 01 表明结果正确 13 Fluent 保存和编辑图形的方法 保存和编辑图形的方法 左键 或右键 点击显示窗口左上角的图标 点开后最