周期性三维流动及换热

1、周期性三维流动与传热本算例所要解决的问题如下：一块用于换热的模板 ，在水平方面有3排冷油 通道，在垂直方向有一列热水的通道，两者之间周期性交替分布很大的区域， 如 下图所示只是其中一部分。冷油出口以 280K的温度、一的速度从每个大 圆孔进入20mn长的通道，从后面的小圆孔流出，出口连接大气压为1个大气压； 热水以330K的温度、(门"一的速度由上端进入通道，从下部流出，出口连接 大气压为1个大气压。图1模板局部示意图分析：由于该算例所需模拟的区域很大，若全部计算的话工作量太大，且具 有一定的周期性，故可以引入周期边界来模拟。而在fluent6.3中提供了两种类 型的周期性边界条件：

2、一是周期性平面内没有压降的周期流，二是周期性平面内 有压降的周期流，主要用于模拟完全发展的周期性流动。下面分两部分进行模拟， 第一部分为模型的建立，第二部分为用flue nt模拟。注：以下以-下一级菜单。一、利用gambit创建集合模型建模时，采用先建冷油通道，再建立模板，最后扫略出热水通道的方法。1、创建冷油通道(1) 创建圆柱和圆台住厉T- 莎 匝具体数据及选项如图1、2、3所示：Create Real CylinderApply Resgt | CoseCreate Real FrustumHeightRadius 1Radius 2Radius 3Coordinate Sys.Axis

3、 Location±lApply |Reset |Qose|ic sys.1Positive Z _iLabel 图2上半径为2下半径为4高5的圆台图1半径为4高10的圆柱Cooniinate Sys. |lc_5ys 1Axis Location恤电 Z j |Apply1FEeset|Close|Label 图3半径为2高5的圆柱图4移动圆台（2）移动圆台和小圆柱移动圆台：:|目f |戸 f 严具体数据及选项如图4所示：移动小圆柱时，与上述操作相同，只需选择小圆柱并将偏移量改为（0,0,15）既可。（3）合并两个圆柱与圆台生成冷油通道运用布尔运算：，选择三个体然后单击Apply。

4、（5）移动冷油通道并平移复制移动：操作同（2）,只需选择冷油通道，并将偏移量改为（5,5,0 ）。平移复制：操作同（2）,只需选中Copy并将其对话框里修改为2,偏移量为 （0,10,0 ）。生成如图5的模型。注：为避免从gambit里截出的图不清楚，在此需要对其背景及图线颜色进行 更改。更改背景的方法如下： Edit f Default f GRAPHIC,将单击 WINDOWS-BACKGROUND-（选项OR这样 Modify Reset 选项就变成了 WINDOWS-BACKGROUND-COL后将其后的 VALUE改为 white 并按 Enter 键，然后单击Close退出。更改图

5、线颜色的方法如下： 红t单击VOlume选项后面的黑色箭头，选中 All，然后单击Geometry后面的颜色条，并点击新 弹出的对话框里的color选项black，最后单击Apply退出颜色选择，再次单击 Apply，确定将颜色改为黑色。图5生成的模型（6）创建和平移长方体创建x=10, y=30, z=20的长方体：回 9 口J，具体数据如图6; 平移长方体操作同（2）只需将偏移量改为（0,15,10 ）,偏移完成后如图7所示。图6创建长方体图7偏移完成后的模型（7）分割体并删除多余部分用面分割体： ®苜财，用长方体（也就是模板）的与冷油通道相交 的面分割三个冷油通道，为下一步镜像

6、体做准备，此处注意必须每次都要选择retain，目的是为接下来的分割以及周期性条件设定做准备，具体操作如图8所示（分割其他冷油通道时，只需要将Volume选项更改为 Volume.3和Volume.4即可。）：Split VolumeVolume| volume.Z上JSpMtWIthFace (Re al) -i |Face|lface.22< IDelete VolumesVolumesVolumes图8分割冷油通道删除模板外的冷油通道：!后模型如图10所示。图9删除模板外的冷油通道© 打矽体操作如图9所示，删除完毕F f（8）镜像冷油通道 镜像体：QReflecti on

7、 Pla ne所示。图10，具体操作如图11所示。然后单击F面的Define，镜像时的方向矢量（-1,0 , 0）定义如图12Method:2 Points i ICoordinate Values: Point 1 Point 2Coordinate Sys. jc_sys.1TypeGlobalCartesian _iLocal图11镜像冷油通道注：这里对方向矢量的定义采用了两点式 标（0,0,0 ）,再单击Point 2并输入终点坐标 而完成对镜像矢量的定义。镜像完成后的模型如图13所示。:x: p：f y： f z:ry：z:Apply | FtesEt |图12方向矢量定义Close

8、,先单击Point 1并输入起点坐-1 , 0,0),然后单击 Apply , 从图13镜像后模型(9)建立热水通道的模型对于热水通道的模型，本算例中采取了由点到线，再由线到面，再由面扫略出体的方式。建立点：| 乜 L.'建点时采用了坐标输入的方式。如图14 所示，其坐标如下：(0.5,0,2 )、(-0.5,0,2(0.5,0,10 )、(-0.5,0,10 )、(1.5,0,15 )、Oeate Real VertexJj)、TypeGlobalLocal(-1.5,0,15 )、(1.5,0,18 )、(-1.5,0,18输入一个坐标，单击一次Apply。由于这），每 r'

9、;"l:l哪陋|Reset些点在x-z平面内，所以右击一下GlobalCtrl里的上_，并选择x-z平面视图，就会显示如 图15。由点建线(在x-z平面下)B 13，具体操作如图16所示，选取点的时候按 顺序依次选取。由线建面：I辽口 ，具体图15冷油通道坐标图操作如图17所示，选取的线要封闭Cmate Straight EdgeVertices>1Type:* Reail v VirtualJF21elApply | Rpset | Qose图17由线建面图16由点建线由面建体：亡I -卩一三1，这里采用的是由面扫略成体，所以要指 定一个扫略方向，由于热水通道是沿着y轴正方向

10、的，所以可选与y平行的边作为扫略方向，如果所选边的方向是y轴反向，则可通过按鼠标中键来改变。具体图18由面扫略出体图19扫略后的热水通道(10) 从模板中减去剩余体布尔减：市一回 T 9“ ，此处要保留剩余体，因为在后面周期性条件设置要用模板与冷油通道相交的面做周期循环。具体操作如图20所示。图20从模板中减去剩余体(11) 合并重合面此处需要合并重合面，因为刚刚在减体时保留了剩余体，这样就跟剪完后的 模板有很多重合面，如果不合并的话在flue nt里会默认为Wall从而造成算例失 败，若是修改Wall的话由于重合的面太多会造成工作的繁琐。合并： 一仃 -：$ ,由于此命令的功能是合并所有能合

11、并的重合 面，所以单击Faces选项后面的黑箭头，并选中 All，再单击Apply。(12) 链接周期边界的面由于模板两个侧面(与冷油通道相交的面)是周期边界面，在周期性边界设 计时两侧的网格必须保持一致，所以应将两侧面建立Link链接关系。在该算例中总共有7组相互对应的面（见图21）,需要一一建立Link关系。建立Link链接：厂T曰一徑，弹出如图22所示的对话框，单击上端 的Face选项，选择其中一个面，单击其下的Vertices选项，并选择该面上的一 个点；单击下端的Face选项，选择与上面Vertices选项，并选择该面上与上面 Vertices选项中选择的点相对应的一个点，选中Rev

12、erse Orientation 和Periodic选项，单击Apply，就完成了一组面的Link连接设置。重复类似操作,把所有的对应面都链接起来Link Face MeshesFaceVerticesUnk WiFaceVertices Reverse oHen tation R&riodicApply | REWEt | 伽昶 图21需要建立Link链接的面图22建立Link链接图23划分体网格 Meshv Cn Off注：gambit里默认的是不选Periodic，所以每次选完面和点一定要注意单击 Periodic。（13）划分体网格划分体网格：吕一匚丨-巨乡，具体操作如图23所

13、示，这里要选中所有 体。（14）隐藏网格由于该算例的网格数较多，且边界条件较多，为方便设置，故隐藏网格。单击Global Ctrl里的£，只需将弹出的对话框里的 Mash选项关掉，具体操作见图24Render闌净丄|F Lower topologyAppll节 | ReseI I dose |图24隐藏网格2、利用gambit初定边界条件本算例中需要对流体区域条件和流体边界条件做设置，下面先设置其流体区 域条件，再设置其边界条件。(1) 指定流体区域学佥蒔，按图25、26、27完成对冷油、热水及模板的Pirked设置。Name:SOLID -Ihot-waleType:图25指定冷油

14、区域图27指定模板区域指定流体区域：这两种区域之间的公共面如果注：本算例中设置了流体和固体两种区域，不去指定边界类型或者指定为 Wall类型的边界，将会默认为耦合壁面。在倒入到FLUENT6.3中后会出现“ shadoW'壁面，而该耦合壁面的对流换热系数是通 过FLUENT6.3本身的计算得到，故在接下来的边界条件设置时，将三个区域之 间的边界设为Wall。(2) 设定流体边界条件边界条件的设定：陽» -'悄，在弹出来如图28所示的对话框里，其中只 需要修改Name Type和Faces，现将所修改项目列表如下。表1边界条件修改内容Nameperiodicoil-in

15、oil-outoil.moba n.coupleTypePERIODICVELOCITY-INLETPRESSURE-OUTLE WALLFace模板两侧面/14个冷油通道大圆柱端/6个冷油通道小圆柱端/6个所有圆柱及圆锥面续表1Namewater-i nwater-outwater.moba n.coupleTypeVELOCITY-INLETPRESSURE-OUTLEWALLFace热水通道丫 值最大端面热水通道丫值最小端面冷水通道的侧面/4个(3) 导出Mesh文件File Export Mesh，在弹出的新 对话框中单击Accept。(4) 保存文件File Exit，在弹出的新对话

16、框中单 击 Yes。图28边界条件设定二、利用FLUENT6.3进行后处理(1) 导入网格File Reac Case,在弹出的窗口中找到保存的“ .Mesh”文件。导入完成 后，会显示如图29所示的一系列 Warning,这是由于周期性条件及耦合壁面造 成的，只是提醒作出设置。Uarning: Thread 16 has 2 contiguous regions.Warning: Thread 8 has 2 contiguous regionsUarning: Thread 9 has 6 contigiuous regions.creating L>all: 016-shadowc

17、reating water.noban.couple-shadow creating oil.CDUloesnadoMshell conduction zones,图29导入网格产生的Warning(2) 检查及标定网格检查网格：Grade Chack。标定网格：Grade Scale，将网格单位由m改为mm并单击ChangeLengthUnites，再单击Scale，最后单击 Close。(3) 选择计算模型选择求解器由于本算例采用FLUENTS认的求解器，故不用修改。启动能量方程 Define Models Energy，在弹出的Energy对话框勾 选Energy Equation复选框

18、，并单击 OK按钮。选择层流模型由于FLUENT里默认的粘性模型为层流模型，刚好满足 本算例，故不需修改。(4) 设置物性参数本算例中设计到两种流体(液态水和油)和一种固体(钢)，而液态水和钢 在数据库中都能找见，所以只需加载，油则需要自己定义。加载液态水和固体钢 Define Materials，在弹出的Materials 对话 框中单击Flue nt Database，将新弹出的对话框中的 Material Type 改为fluid，然 后在 Flue nt Fluid Material 中选择 water-liquid<h2o> ，依次单击 Copy 和 Close。再单击C

19、hange/Close按钮。对固体钢的设定同液态水，不同的是将 Material Type 改为 Solid，并将 Flue nt Fluid Database 改为 steel 即可。自定义液态油 Define Materials ，将 Material Type 改为 solid ， 并将Properties 下面的 Density 改为 830，Cp改为 2540，Thermal Conductivity 改 为 0.8，Viscosity 改为 0.00061，再在 Name输入 oil ，然后单击 Change/Creat 按钮，最后在新弹出的对话框中单击 No,最后单击Close。

20、(5) 设置运行环境由于本算例不计重力，所以不需要修改。(6) 设置边界条件Define Boundary Conditions，在弹出的对话框中做如下设置： 定义冷油区域在Zone中选中cold-oil ，Type中选中fluid ，单击Set，将新弹出的对话 框里的 Material Name 改为 oil 。 定义热水区域在Zone中选中hot-water ，Type中选中fluid ，单击Set，将新弹出的对话 框里的 Material Name 改为 water-liquid 。 定义模板区域在Zone中选中moban Type中选中solid，单击Set，将新弹出的对话框里的 Ma

21、terial Name 改为 steel。 定义油及热水的入口边界在Zone中选中oil-in ，单击Set，将新弹出的对话框里的 Velocity Magnitude改为0.01，再单击Thermal选项卡并将Temprature改为280。热水的边界条件设置同油，只需将 Velocity Magnitude 改为0.02， Temprature 改为 330。 定义油及热水的压力出口边界由于压力出口边界已经在gambit中设定好了，故在此不需要修改。 定义耦合壁面在Zone中选择oil.moban.couple ，单击Set，单击新弹出的对话框里的 Thermal 选项卡，由于 Therm

22、al Conditions 默认的就是 Coupled，且 Wall Thick ness和Heat Gen eratio n Rate 均默认为0，正好符合要求，故只需要将 Material Name改为steel即可，最后单击 OK按钮。对于 water.moban.coupe 做同样的设定。 定义空气接触壁面在Zone中选择 Wall，单击Set，单击新弹出的对话框里的 Thermal选项卡， 选中 Thermal Conditions 的 Convection，并将 Heat Transfer Coefficient及MaterialName分别改为30和steel ，最后单击OK（7

23、）设置周期性边界条件Define Periodic Conditions，本算例采用的是无压降的周期流与FLUENT!默认的（见图30） 一致，所以直接点（8）求解策略 求解器选择 Solve Controls Solution如图31所示，由于该求解器正是本算例所需 要的，所以直接点OK按钮。 设置残差监视器 Solve Monitors Residual，如图32所示，由于该残差监视 器正是本算例所需要的，所以选中 Plot，即 动态显示残差图，然后直接点 OK按钮。OK厂 Specify Mat歸 Flow棺 Specify Pressure GradientMass Flow Hate

24、y 0QPressure Gradient p3scal/ni|Helaxtfllon FactorFp.FTypeFlow Di recti anUpstream H>iullc Tcrnperaiurc： |k|3 onNumbeir of heratlions图30周期性边界条件设置(9)初始化Solve In itialize In itialize，在弹出的对话框中的 ComputeFrom 下拉列表中选择则all-zones，然后依次单击Init和Close图31确定求解器图32确定残差监视器(10)保存 Case&Data文件File Wite Case&D

25、ata,选择好保存位置，然后单击 OK(12) 迭代计算Solve Iterate ，在弹出的 Iterate 对话框中将 Number of iteration选项改为100,然后单击Iterate。方程在大约44步时收敛，残差图如图33所示。注：截取残差图时需要修改背景颜色，修改方法如下：File Hardcopy,在弹出的对话框中作如图34的修改teratio nsFLUENT 0 Fluent Inc图33动态残差图图34修改背景颜色（13）创建平面图35建立面x=0 （右图）图36建立面z=10 （下图）Surface Iso-Surface，弹出Iso-Surface 对话框，在此对话框中通过点 击Compute可计算输入值的范围。下面按图35和图36设置分别建立x=0和z=10 的平面。(14) 查看温度分布Display Contours，在弹出的对话框中做如下设置，选中Options里的Plot，将 Con tours of 的下拉列表选为 Temprature 和 Static Temprature ，Surfaces选x=0、z=10和periofic ，选择其他面时，然后单击 Display温度分NX如FUJBfT EJ pl图38 x=0、z=10、periodic 面的温度分布图FLUEWT(O Fluent Inc三三EEE三三FLue