fluent的一个实例(波浪管道的内部流动模拟).

1、基于FLUENT的波浪管道热传递耦合模拟CFD可以对热传递耦合的流体流动进行模拟.CFD模拟可以观察到管道部的 流动行为和热传递,这样可以改良波浪壁面复杂通道几何形状中的热传递.目的：(1) 创立由足够数量的完整波浪组成的波浪管道,提供充分开展条件；(2) 应用周期性边界条件创立波浪通道的一局部；(3) 研究不同湍流模型以及壁面函数对求解的影响；(4) 采用固定外表温度以及固定外表热流量条件, 确定$诺数与热特性之间的关系.问题的描述：通道由重复局部构成,每一局部由顶部的直面和底部的正弦曲面构成, 如图图1管道模型空气的流动特性如下：质量流量：m=0.816kg/s;密度：p =1kg/m3;

2、动力粘度：p=0.0001kg/(m s);流动温度：Tb=300K;流体其他热特性选择默认项.流动初试条件：x方向的速度=0.816m/s ;湍动能=1m2/s2;湍流耗散率=1 X105m2/s3.所有湍流模型中均采用增强壁面处理.操作过程：一、 完整波浪管道模型的数值模拟(1) 计算Re=uH/v=0.816 X1/ (0.0001/1) =8160Cf/2=0.0359Re-°.2=0.0359 X(8160)"0.2=0.0059259Ut0.816 J0.0059259 0.0628. 2 + y =u ty/v y=0.00159(2) 创立网格本例为波浪形管

3、道,管道壁面为我们所感兴趣的地方所以要局部细化.入口和出口处的边界网格设置如图.图2边网格生成面网格图3 管道网格(3)运用Fluent进行计算本例涉及热传递耦合,所以在fluent中启动能量方程,如图图4能量方程设定条件,湍流模型选择标准 k-e模型,近壁面处理选择增强壁面处理图5湍流模型设定材料,密度为1,动力粘度改为0.0001如图图6 材料设定设定边界条件,入口速度为0.816,湍动能为1,湍流耗散率为100000.出口为自由出口,壁面温度为固定温度分别为300k, 500k.图7边界条件初始化,并计算Retklmals continuity x*veilocity y-vetocrt

4、y efiergy k lafcn侦01 -31*0口T*01l*-031«-04It-OSIfrOGHh07lie-08 40IterationsJaOFLUEM-T6.3i2ti 的图8残差残差中的e和k并没有减小,没有到达10-3一下,并且由丁网格很大,计算时间很长遍-5 CM frOI-3 3.7&-CH-<?4fr<n-o nie-oi-7 43flH01-&&4B-CI1-1 l 购*®-1 15*0-1 29e 顽-1 *%的-157eHX>-i-1 84ewo-1-2.11e*OT-2-2 19&*WCcwl

5、wi. ofTcMeii Pfhwv (pastel)火皿2021 FLUENT 6 3(2.图9压力分布图随着流体流动,管道中压力分布趋丁平稳,波浪管道中波谷的压力最低,在 入口处的压力较高.1 m+oi11*0Q1 Se+OO1湘心 1 lfte+® 1 lle+OJ1 02eHM3OghOi e 5ifr4*i FKIe-OI HaoenCM5»& 5 lOfrl2 5*&4>l1 70&J&IB3IG-CE oooe+oaCWovre oF Velocity M#g*wude (rrvi)Jtn O7r M12FLUENT 6.

6、3 (2d 冲,*!«)图10速度分布图速度分布图Cwhxra ofTotaii TMiperwure 00从图中可以看出,在管道7-11个波浪处,流动已经充分开展,贴近上壁处 速度最大,在波谷出的速度最小,甚至接近丁零.4牛Mg4 &4 7 公*W44 55fi*D?4峋*皿4 36*02444 07a*Ce3岛日*死3 7BS*(J?3 580*©购*W3:皿*B333 00e*0J皿 3D12FiLUENT 6 J (2d.皿4 *冲44旅土4 55e-lCG4 We*O24 加 *024 16ft*024 *715-023 Wb -02? m-023 Ffi

7、e-筮 3ft8®+O23 泗*ce3 淄+023 We+CQ 2SdM123 1502Mg心 3最心CwtDurt of local Tempefidure (k)JsD7,翌悦FLU巨NT 鼠3 ifW虬 gm ik*图11温度分布图贴近波浪壁面出的温度较高,流动充分开展后,由丁换热作用,管道后部流体温度逐渐升高,在波峰与波谷之间的流体温度最高,如图.1 g*00 瓯土1 53901 伽*DQ11 &土1 性 *001 110*001 Offs *00 937a-(H8 50-(H r.OFa-cn5翳5 S.fie-Oi4 2fl5e-ffi3 l le-ffl 25-

8、018.*-睨2 5Oe-HVeJtKiv Vsclorii CcicwwJ By Vstotily Magnitud# 油包,J«n O7/2C1?FLUEhn 6.3(2d pb皿 ik«)图12速度矢量图可以看出,波浪壁面出流体出现反流,在波谷出反流的流体最多,速度在波谷出最小,接近丁 0,出现滞留区.假设要观察波峰、波谷处流体流动速度,需要在波峰、波谷处创立两条直线,观察直线上的速度.由于管道7-11节处流动充分开展,所以在第十一节波峰、波谷处建立两条直线,如图图13波峰、波谷owtw 二 trough*Velocity Magniilud (m/s)l.OteOO

9、 -BQ0«-01 -6.0De-01 -4 00*01 =2 0M-01 一Poston (m)M»gndiJd«J*ftO7,2Cl2FLUENT 6 3 2d pbftt.图14波峰、波谷的速度波峰贴近两侧壁面出的速度梯度很大,在管道中间速度随高度增加而增加,在0.7m左右到达最大.波谷处靠近上壁面的速度梯度很大,但是由丁有波谷存 在,波谷处的速度梯度不大,在谷中速度先增大再减小,在 0处左右到达最下,随后逐渐增加,在0.7m高度左右速度最大.高度在 0.5m处以上波峰波谷处的速度根本相等.周期性波浪管道模型的数值模拟I?rr-._二= -三 一B=MW-

10、=.=!E -E-5F3 w=s_ =_ = !=_ = =-=- = M=曰 三兰兰 _=兰 二兰拦 5i一一 -si' =_=,一一1=-=！:!=言 A =W_=W5J=-S3图15周期性网格网格密度与完全管道网格相同.在fluent中输入以下指令,创立周期性网格./grid> modify-zones/grid/modify-zones> make-periodicPeriodic zone () inletShadow zone () outletRotational periodic? (if no, translational) yes noCreate pe

11、riodic zones? yes yesAuto detect translation vector? yes yescomputed translation deltas: 1.000000 0.000000all 100 faces matched for zones 6 and 5.zone 5 deletedcreated periodic zones./grid/modify-zones>边界条件中可以看到已经没有 outlet, inlet也变成了 periodic周期性的.这里要设置周期性边界条件.质量流量为0.816,其他设置与之前相同.Fcriudic Card Ci

12、onsMass Flvw FUteU.016屯 PTkxliLPressure Grdleril fp石sealJgtrrjim I hill: 1 rmprrAfurr kJOKHlaKaiion FairtorNumber al IterallDneUpdntr Cnnitrll国 Specify Masc Flluw'Sprcily Prrv-urE Gradiciil图16 边界条件frfi rationsJwiQ7.2»13FLUENT 顷Jd pbr,图17 残差Energy并不收敛,反而随计算而发散.其他参数都收敛.计算量很小,计算速度明显提升i m ¥

13、; -31- i*3 wnfw i?( .TF是 二 $ r "M*ai 二 12*1 .vf! sff 6«£_- 自 43MT i f *-AnloEi KJ.Ct P-WMUTB -pailw-函 18mH® frs 0 UMH =皇守 T 841 T号苴 =#TS -ixs nsMXS >?5 J4- U_EV M'ieHal -*r$ Ta*9 UBV bdl Car-CECcviDurt 也-Ir'irkx.?ri-clEg4星+导 1+8 JtaF_CE- 4¥可 ¥.其 4学卜目 *-48 m-可

14、 leas+E? A¥o? 3莎峰 一胃直 :目百 ¥百 3?点 a _一曾百 一快百ftMLIJT* T3pnFrwTWord漆驾mTB'4 r-c号<a兰MagF-Q* &dFLUENT -MK-VelocityMagnitude(ITVS)Position (m)9 22E411 :tomTfl mu fl 3 ta-ai& 1* 01 ««*O11«* 01 IMfa-UI ¥愉1 ?43»-01 i旧m 1 4-01 g妒 WteHET 1 WMEJVo4«.tv .女i Z

15、D4Hd&/ Ve«Mrflmi >图18压力图速度图温度图速度矢量图管道中间压力最大并比拟均匀,在波浪波谷出压力最低.温度分布不太正确crwt-p trvjaH-p向 Mpgnudt图19波峰波谷速度图波峰贴近两侧壁面出的速度梯度很大,与完全模型相似,波峰在管道中间速 度随高度增加先增加在减小,但是变化不大,其他分布趋势与完全模型相似crejt-pcrest-wVelocityMagmlude(rn/s)I DQlHCiQG.OOe-01D.DOeOOPosition (m)MpgrtrfydiiJ«n 07, 2021FLUEN" 6 3 北 p

16、m k«：i图20周期模型与完全模型波峰速度图比拟周期性模型,管道中速度根本相等,没有呈现完全模型的变化趋势.traLib-w1.20t>001.Me*00 VelocityMagnitude(Ws)6 COe-fll -* Q0»*0* -2 0M-01 -0 00r*00 -Position inn)Jtn 07r Ml?FLUENT 6.3 (2d触.)图21周期模型与完全模型波谷速度图比拟两模型的波谷速度的变化趋势大致相同,在小丁 0.3m处,周期性模型速度大丁完全模型,0.3m之后,周期性模型速度小丁完全管道模型.三、周期性波浪管道不同湍流模型的数值模拟应用

17、周期模型,再选分别应用 RNG与Realizable湍流模型计算.实验数据Word资料如图treikn-fi1 2&th30VelocityMagnitude(M)I OOi-OD1 ODadl6 0De<llMOBSPOB*KIPPosit«n (m)J|顽汕2FLUENT3(2C pbn> p*|图21 RNG模型波峰波谷速度图CWHg t'DLCtl-EaBWe-D'lTM*Q6WC1曲mty辎 giut>加间三0(TPQtiion (m)Jvi &7. 2：d2FLkANr,利.坤,Mi图22 Realizable模型波峰波谷

18、速度图将之前的数据放在一起进行比拟V枷 city Magnitude (m/s)i.iDe*W 1 SOfriOO 汹wm gg?fl ©0e-0i sminDi 4.oaeHp1 3M0l 汕S 1 COfiOT G.90fr*WPosatHon mJwD-7.M1SFLUEF<T©3tM p<» rngk«»图23不同湍流模型波峰速度图Iraugbreali&uqh-rHqVelocity F/agnilude 问旧i Dfrnc -i &»*«；-t.dDQi -| ejOO*-ai -4.

19、0CM3S 一2QC*<010 0Ce»0C =0200.2MOSPosition (m)el dc fly agrinijdeJan 07.2Dt2FLUENT 6.3 也 pen rngka图24 不同湍流模型波谷速度图从图中可以看出realizable和标准k-e模型波峰的速度分布大致相同,RNG模型与完全模型更接近,变化更大.三种湍流模型波谷的速度分布与波峰分布特 点相似.四、整体模型壁面采用固定热流率的数值模拟重新选用整体模型,只需改变波浪面即 wall2的边界条件即可,改为热流率1000w/m 2,其他条件不变.图25不同湍流模型波谷速度图1.00&*00

20、-Cf«l-4v crests1加moVelocity &oczi - Magnitude 4 0401 - :cK»-ai!-0 001+05 ' a_«0.219.40.-9G7 O.B 0.91Position (m)V剧n 4y MagrihNtoJ«n 07. ?012FLUEhTT 6 3 (2d 冲,tk*)图26固定壁面温度与固定热流率波峰速度图比拟1.20t>00tone* noOOt-OlVelocity tMe-fliMagnitude(WGd Q0»-0l2 QO4-Q10OOrtOOPosition inn)¥#ck 岫 UtgnigJ«n 07 201ZFLL/EhT 6 3 (2d ptxil lk*)图27