基于Fluent流体软件的仿真试验

1、基于Fluent流体软件的仿真实 验基 于 Fluent 流 体 软 件 的 仿 真 实 验用户还可方便地定制I己的材料，并存档以备后用。(3) FLUENT可进行后置处理和数据输出,能对计算结果进行处理,生成 可視化的图形及给出相应的曲线、报表等.并与TECPLOT软件连用.完善图彫 处理。5.1.3 FLUENT软件求解流程通常利用FLUENTM决问题的流程为：首先用GAMB IT画出几何模熨或fl.按 导入儿何模熨，并对儿何模熨进行离散，也就是网格化，再对边界条件类型进行 指定.得到相比问题的汁兌模劇.然后利用FLUENT求解器对模熨进行求解.Jii 后对感兴趣的结果进行可视化处理,得到

2、需要的图标或图片.流程图如图5.2所示:图5.2 FLUENT仿真计算漩程图5.2 FLUENT软件仿真实验5.2.1几何模型的建立儿何模型的建立既可以在GAMB IT中建立，也可以在CAD或Pro/E等绘图 软件中建芷,再导入GAMB IT中即可，然碍对其进行网格划分.本实验是在Pro/E 中爼立了三维实体模空，然厉导入CFD软件中进行分析。与廿压式气路相比，差式气路的优点是町以减少由十减床阀输岀斥力匕的变动向引起的测駅误差，W 此木文以差斥式气动虽仪主、测喷嘴作为研究对象进行車点分析根据项II要求， 人河双进给玷燃头装配图及差压式气动测虽气动变换瓯理，绘制了差压式（动虽 仪气动变换环节的儿

3、何模型简化图，如图5.3所示。为了研究方便，将主、测喷 嘴赴在同一模熨中，并将调零气室用一潟斗来代杆，用以观察测量气空与调零气 电气斥差与测呈何隙jZ何的关系。Y动测就儿何模熨具体数据：上喷嘴和测虽 喷哦氏度均为？，1X径均为0.5.（体从测駁喷嘴喷出遇到工件衷面成徑向 敬射向外流动，最后通过出气口流入大气。所以将挡板机构简化为N征为15的 盘形体,其厚度取为测间隙厂便于模拟测址喷嘴到T件表面的流场区域.图5.3差压气路气动测鼻几何模型5.2.2模型网格划分在商用CFD软件的使用中,大约有60%的时何是花费在网格划分上的,可以 说网格划分能力是决定匸作效率的上耍因索Z。网矗的划分是FLUENT

4、仿貞讣 伴的关键，网格划分的好坏宜接影响仿直结果.FLUENT软件采用非结构网格与适应网格相结合的方式进行网格划分。非结 构网格划分便处理巫杂外形的网格划分，而适应性网格则便计算流场参数变 化剧烈、梯度很大的流动，同时这种划分方式也便/网格的细化或机化，使得网 格划分更加灵活、简便可见“网格生成是CFD作为空气动力学匸程应用的关键 技术z-。5.2.2.1网格类型流场仿真采用的网格类型主要有两种：结构网格和非结构网格.结构网格的 虽人特点在于网格仃规律，具仃结构简取，构造方便，容易计算，占内存小等优 点：缺点主要体现在对复杂儿何形状的适应能力差.非结构网格舍去了网格节点的结构性限制.易于控制网

5、格单元的大小、形状 及*点位胃，杲活性好，对复朵外形的适应能力强：但真无观则性也导致了在模 拟计算中存储空间増大寻址时间增长.计算时间长.计算效率低于结构化网格 等缺点.本文实验采用结构性网格的方式进行网格划分，便于计伴流场参数变化WJ烈、 梯度大的流动，同时这种划分方式也便于网松的细化或粗化.使得网格划分更加 杲活、简便11,11501 O 5.2.2.2网格的生成划分网格这个环节需耍输入i系列参数.如m元类別、网格类型及仃关选项 等.对于三维复杂问题，这一过， 【祐心策划、细心实施。网格的划分備况如 图5.4所示图中是用TGRID程序划分的四面体网格,若要划分六而体网格,还要 进厅较为复杂

6、的操作。图5.4网格划分图网格划分好后在GAMBIT中要先检責一卜网格的划分情况.Cut orientation 项P，用做标分别移动乂轴、Y轴、Z轴的滑块，会显示孑轴平面上的网格。如图 5.5所示.沿Y轴平而上的网格.图5.5网格检查图根据流体力学的知识可知.在主喷嘴、测虽喷嘴、廿流孔和各个拐角处尺寸小，斥力梯度大，为了保证耕度，在这些地方都进行了网格局部加密图5.6和5.7分别给出了调零气空出L】和喷嘴捞板出I】网格划分图.图5.6调吝气室出口网格划分图图5.7吹嘴挡板出口网格划分图5.2.2.3网格质虽检查网格质虽对计算粘度和稳定性仃很大的影响。网恪质虽包括：廿点分布.光 滑性，以及歪斜

7、的J度（skewness）。所以必须在划完网格后对网格的质蚩进行检 貢质址好的网恪收敛性好，质駅差的网格计隽粘度不准确，哄至讣畀结果发散。GAMBIT中提供筝种方便简捷的网格检責技术，能快捷的检資l!牛成的网恪 的质呈.该模块包括对网格单元的体积、扭Illi率、长细比等影响收敛和稳定的参 敌进疔检査。可以直观而方便地定位质呈较羞的网格也元閃。Grid SizeLevelCells09654肖网格划分好后，仃必耍在gambit ll对网格的硕址进行检件。持别注盘出现 负休积或者网格扭曲大于0.97的怡况，这时导入fluent时会出错网格伯息和网格 检査伫息反馈如图58和59所示,显示有9654个

8、网格號元,没有出现负体枳或者 网格扭曲大于0.97的情况,属于质量比较好的网格FacesNodesPartitions20948251811 cell zone, 5 face zones图5.8网格倍息Grid ChpckDonidln Extents:x-coordinate:min(n)=-7.50O000e-003,nax5)=7.5O6O0Oe-OO3y-coordinatp：min(n)=-9.fl06001p-003 vnax(n)=2.93B0RQP-OO?z-coordinate:min(m)-3.5080O8e-O03,nax(n)-1.5O0OOOe 602uoiume

9、statistics:mininun uoiume (m3): 4.134995e-012naxinun uolune (n3): 2.907986e-O10total uoiume (m3): 1.0220O9e 006Face area statistics:minimim Face area (m2): 5.48S5mp-R08naxinun Face area (m2): 1.0M96Oe-O06Cliecking nuntier of nodes per cell.Checkinq number of Faces per cell.Chpckinq thrparf pointpr.C

10、hecking number of cells per face.Check丄“y face cells Checkinq bridqe Faces. Checking right-handed cells. Checking face handedness Checking face node order. Checking element type consistency. Checking boundary types: Checking face pairs.Checkinq periodic boundaries.Checking node countChecking nosole

11、cell count.Checkiny nosolue face count.Checkinq face children.Chpcking cell children.Checking storage.Done.图5.9网格检查信息反馈5.2.3条件设置与仿真运算俗保存好的网格文件9入FLUENT牧件中后，先检査网格、设置单位，单位 为mm再选抒求解器及计许模熨，然后设置流休属性和边界条件，赧后进行求解 计算.本仿貞.实验是一个典熨的FLUENT在喷射模拟流场中的应用，在仿fl询仃必 耍对仿貞对发的应用条件和环境进行分析，设置准确的仿真条件，仃利于计筋结 果的正确性.流体在喷嘴管内的实际流动

12、是作常复杂的三维流动.但为了満足数值解析的 可行性，并考虑到流动特性及计算机性能，同时，考虔到影响流体流动的因素常 仃主次Z分.对丈际模熨在建立计算所需的CFD仿覚模熨时，需耍对实际模樂做 卜列的一些基木假定：(1) 假定喷嘴与壳体之何配合精确.没有径向何隙,无泄漏：(2) 进行稳态计算时,假定流体的流动为定常流动,即流体流速不随时间而变化:（3）计符中不考虑流体重力的莎响，因为流体重力位能甘装置性能的滋响微 乎其微:（4）计算中假定在系统内部流体与外部及周壁之间无热传导现象:（5）系统工作在标准大（压卜，模拟匸作环境温度为300K =5.2.3.1选择求解語及工作模式住检任网格确定无误厉.就

13、需耍倔定采用求解器的类型和匸作模式。FLUENT 提供了分离式和隅介式两类求解器.而耦介式求解器乂分为耦介隐式和耦合显式 两类.具体如卜：（1）分离犬求解器分离式求解器（Segregated Solver）是顺序、逐一求解*流体力学方程。上 耍用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动的分析。（2 ）耦介隐式求解器（Implicit Coupled Solver ）是同时求解连续方Fd、动 就方程及组分输运方程的祸合方程组，然后再逐一地求解湍流等标址方程.也元 内的未知fi用邻近单元的已知或未知址来计算.由于控制方程是非线性的，且相 互何隅介，需经过多轮迭代得到收敛。1 3 ）祸合显式求解（Exp

14、licit Coupled Solver ）英特点足对J：给定变届， 每一个瑕尤内的未知虽用只包含已知值的关系式來汁算.因此未知虽只在一个方 程中岀现，1几毎一个总元内的未知虽的方程只需解一次就可以得到未知园的值。楓抑:以上分析及仿冀试算，我们选样使用基于压力的，耦介隐式、定常求解 器.5.2.3.2选择计算模型门然环境和匸程装置中的流动常常是湍流流动湍流出现右:速度变动的地方。 这种波动便得流体介质Z间相互交换动盘、能fit和浓度变化，而且引起了数僦的 波动。由于这种波动是小尺度且是高频率的,所以在实际工程计算中模拟的话对 计算机的要求会很髙。实际上瞬时控制方程可能在时何上、空间上是均匀的，

15、或 者可以人为的改变尺度，这样修改肓的方程耗费校少的计篦机.但是，修改后的 方程可能包含有我们所不知的变罐,湍流模樂需要用己知变就来确定这些变圮./简单的完整稠流模熨是两个方程的模樂，要解两个变虽，速度和长度尺度。 在FLUENT中，标准kw模型门从被提出Z/n.就变成工程流场讣算中上要的工八 了.它适用范閑广、经济、合理的蒂度，这就是为什么它在匸业流场和热交换模 拟中佇如此厂泛的应用.它是个半经验的公式，是从实验现線中总结出来的。标准k七模型是典型的两方程模型，是在一方程模空的基础I：,新引入一个关 J-淞流耗散率e的方程后形成的。标准k亡模型是建立在脉动速度Navies-stokes（N-

16、S） 方程基础上，即通过完整的N-S方程减宙诺f均的N-S方程得到该模空是11 IPJ 使用最广泛的洎流模型.根据本实验仿真使用的模型特征,选择使用标准k七湍流模型.5.2.3.3定义材料在建工数学模电中非常关诜的一步便是正确设定所研究物质的物性参数，在 FLUENT中,流体和周体的物理属性都用材料(material)这个名称来表示的.在 FLUENT中,常用的材料包括流体(Fluid)和固体(Solid)两种.FLUENT要求为每 个参与计算的区域指定一种材料.用户定义材料时可以从其材料数据库中复制过 來血接使用，或&修改后使用。当然，用户还町以根拥实际悄况创建新的材料。 本文屮定义的材料为

17、air. (菜单Define/arterial卜进fj定义.5.2.3.4边界条件设置FLUENT炊件提供了比较丰富的讣算边界条件，包括进口条件、出口条件、 壁而条件，门由流条件、对称而条件等。其中进口条件包括压力进口、速度进口、 质虽流虽进口及进气口等：出口条件包括压力出口、圧力远场出口、外推岀口、 排气UH；U等：而坚而条件包括粘性滑移条件、无粘条件、绝热条件、加热条件、 移动坚而条件等.本文所涉及的边界条件可概括为以卜儿类：(1) 入口边界条件：根据实际情况，我们设定入口处的边界条件为乐力入口， 入口的总压为202650Pa,即为两个标准大气压.(2) H1U边界条件：出口的边界条件为乐

18、力出口，出口乐力为一个标准人气 压。(3) 壁而边界条件:其余面设置为固壁,边界条件用于约束流体或者囲体区 域。在默认情况卞，在坚而上采用的是无滑移樂而边界条件。5.2.3.5求解计算做好上述准备工作后就可以使用FLUE NT进行仿贞求解，为了更好的控制求 解过程，需要在求解过程中进行粟些设置。设置的内容上耍包括：选择离敵格式、 设置欠松池丙、初始化场边屉及激活监视变虽等。所谓初始化就是给各流场参 数赋初始值，以便迭代计算可以仃一个起点。初始化流场仃两种方式，一种是 用相同的场变呈值初始化整个流场中的所冇单元,另一种是在选定的单元区域里 给选择紂流场变量覆議一个值或函数仙。本文采用的是第二种方

19、式.做好初始化T：作后就可以进行仿真迭代计算，同时设置求解过程的监视残差o 残差曲线图主要体现迭代计算过程中的数值计算的收敛状况,观察残差曲线,在 残差监视器Ifil板中设置Convergence Cnterion (收敛判据).木文的收敛条件设为： 能吐的找L小ioH 实际讣只结果W小跟叫厂小：0.001达到收敛更求 残差曲线图如图5.10所示.由图中可以看出.在迭代300次后.计算开始收敛.ir06 -1*C61 I 110mHOXMM0Iterators图5.10残差曲线图5.3仿真结果根据设计的模型和划分的网格.按照上述分析和计算设置.带入FLUENT软 件进行仿真计算.监视计算过程.

20、当计算达到上述收敛条件时.获得如下结果.5.3.1静压图“5I 37O5 2“心 心 t亠8I ncerrarc E vtartieProve(pocrafi图5.11静压图由图5.11 nJ以仃出实验装置的总体湃压布局同时可以计算出测虽气空与调 零气室压差从图中还可以看出在节流U和喷嘴抬板处气体的压力变化比较激烈, 其它乞部分的气体斥力分布非常均匀.测呈气空和调零气空的气斥比较稳定。这就为我们利用实验装置测呈差压捉供了强仃力的依据。调零气空出口静压如图5.12所示.喷嘴捞板出口静压如图5.13所示.g=ss3ss:xs 二亠工 w EE;:t = ?. . .Contom “SCentaur

21、s of SteVc Prtiu* X81 Wtg111 /(1 *1WWI/ /11I11 TOa1 WeF xxi *r*O5i aoeComVH Of T“ FrwwrvI图5.15调零气室出口总压图图5.16喷嘴挡板出口总压图&5 80% Av-OT1 dXi s1 et*MOorrtoun of T如 fxwr.图5.14总压图总斥包括静压和动斥，如图5.14所示.从图中可以看出，跟静H；图一样在节 流u和喷哦板处气体的fk h变化比较激烈.瓦它X淄分的气体压力分布II：常均 匀调零气电岀口总压如图5.15所示喷嘴挡板出口静压如图5.16所示.53 3速度场由速度场我们看到流体在各个

22、位置的流速.在入门、节流I和喷嘴挡板处. 气体的流动速度最大,在小的局部范围内甚至出现超音速现線同时，测址喷嘴 喷出的气流受抒板阳拶，速度瞬间降低.在出口处形成气体的卩流。.OOrOCcomm 桢叫坷 呵y m图5.17速度图从图5.17中我们可以观察到气流进入喷嘴腔体之后受固壁胆捋，向两边扩散 的过程.从图5.18中我们可以观察到气流进入卩流几空何变小受爪而加速的过程, 同时.测st喷嘴喷出的气流受挡板阻再 速度瞬间降低.图5.IS调審气室岀口速度图EHim三HX三CMM wiae%图5.19喷嘴挡板岀口速度图5.3.4压力分布图在FLUENT中绘制了入口用力和出口压力分布图如图5.20-5

23、.22所示.从图 中可以看出入口和调零气室出口处压力分布相当均匀,喷嘴挡板出口压力比调零 气室岀口压力稍大些，而且出规了较大的波动.这是应为气体在出I断面的流动 将被严重W流并H.同时产生较大的不可逆的能&损失.Static Preure (pascal)2205 二2305 -2 0W*05 -?03*05 -Positon (mm)图5.20恺压气宣入口压力分布图StaticP$50 (叱31)ICIOS1 QlbgW051 b8W05(8 ui*os1CW05 QWg？Position (mm)图5.21调容气室出口压力分布图1 3051如毎-1 8 -1 28 -1 405 -Stat

24、e-PfOuro1 tWM -(pascal)-1 0505 1 0M*8 -QOW-ftt -Positon (mm)图5.22呱嘴挡板出口压力分布图5.4结果及分析前而的图形显示了发生在流场中的现象.虽比较肚观.但要想知道准确的计 算结果还需耍把测量气宝和调零气宅的床力用文件#岀，供卜血分析使用。实践 证明就仪的线性部分 般小f 0.15/，所以这里将差乐（路持性llil线的测確间隙 $范阳设为0 0.3 o5.4.1主喷嘴现取测呈喷嘴几径为0 5mm .入口压力为2个大气压（约0.2MPa）.主喷嘴 在不同孔径F仿真所得的差压值列于表5.1中.裘51变主I嘴孔徉模型的差压I 3 MP“比

25、较裘fl nun主喷綁内轮/0.30.40.50.6000000.050.02750.01900.01550.00630.100.07110.05140.03800.02110.150.12960.09S00.071S0.04720.200.17540.15140.12390.08520.250.19720.1S310.16270.13170.300.20210.19330.18310.17000.250.20.150.10. 05000.050.10.150.20.250.3s/jm图5.23变主呱嘴孔径4的特性曲线图1 . 4=0.3mm 2 . 018MP 4. .=0.20MP 七为稳

26、斥后的I作斥力，/的大小H接影响持性曲线的变化.一般采用高斥 籍压式气动虽仪。图5.26为改变匸作压力匕顽出的籍压（路特性曲线图.从图中 可以仟出：随着工作压力匕的增大，线性范I貝越大：随着工作压力匕的增大，特 性曲线的变换倍率或分辨率越大（图中表现为曲线倾斜程度）.但变化不是很大.可见适当増加I.作压力对气动盘仪是有好处的.但还要考虑到压力提高对S仪 密封性和耗（S的提高等负而因索的影响。根据珀磨加X余&和工件尺寸的要求， 为加工余呈和工件尺寸较大时.的取值大，十加工余量和工件尺寸校小时，一的 収值小，从而确定测址系统的最佳压力.5.5本章小结本S根据前面的分析建立了三维实体简化模型.显示了

27、发生在流场中的现, 并利用仿真结果绘制了差斥特性Illi de.分析了冷参数对测呈耕度的彫响。上要从 以卜两个方面做了研究：（1）研究差压式气动测址系统1】、测量喷嘴的结构、尺寸参数与气体流场形 式、测虽范国、测駁粘度Z何的关系，利用FLUENT软件进行了仿真实验，提出测 圮:元件设计原則.（2）研究测虽斥力与测虽粘度Z间的关系，尝试建工不同压力卜-工曲线 族，并分析压力对曲线线性段位置的形响，提出根据和磨加工余5和工件尺寸确 定测虽系统最佳压力的基本原则.在课题研究阶段，主耍通过理论研究与仿真实验相结介的方法，通过对I行烧 Y动测虽和r体动力学的研究，分析研究了差乐式Y动测虽系统的特性，并且得 出了四种工况卜的差压气动测呈特性方程。在此基础上，