冷热水混合器内的流动与热交换模拟(fluent)

1、无实验十实验十 冷热水混合器内的流动与热交换模拟冷热水混合器内的流动与热交换模拟一、实验目的一、实验目的（1）熟悉 Gambit 和 Fluent 的用户界面和操作；（2）学会使用 Gambit 建模和划分网格；（3）学会使用 Fluent 求解器进行求解，并显示计算结果二、实验原理二、实验原理一个冷热水混合器的内部流动与热量交换问题。混合器的长宽均为 20cm， ，上部带 3cm 的圆角，温度为 T=350K 的热水自上部的热水管嘴流入，与下部右侧的管嘴流入的温度为 290K 的冷水再混合器内进行热量与动量交换后，自下部左侧的小管嘴流出。三、实验步骤三、实验步骤1 利用利用 Gambit 建

2、立计算模型建立计算模型步骤步骤 1：启动：启动 Gambit 软件并建立新文件软件并建立新文件启动 Gambit 并且建立一个新的项目文件，文件名：mixer.dbs无（2）选择求解器用菜单命令 Solver: FLUENT5/6 选择求解器为 Fluent6.步骤步骤 2：创建几何图形：创建几何图形（3）创建坐标网格按照下图 15 创建坐标网格，先创建 X 坐标的网格，在第 3 步选择 X，完成 4、5 步骤后，再重复 15 步骤，在第 3 步选择 Y，最终得到 XY 从-10 到 10的坐标网格。发现工作区的网格显示不完全，我们可以按右下角的工具按钮，使工作区调整至显示出整个网格。（4）确

3、定不同类型边界的交点和圆弧中心点Ctrl+鼠标右键，在坐标网格上如上图所示，创建出所需要的各点。无（5）复制点除了以上各点之外，每个小管嘴还需要外侧的 2 个点，我们可以通过点的复制来创建各个小管嘴外侧的点。按照下图 15 的步骤，执行完第 4 步时，用 Shift+鼠标左键选上所要复制的两个点，在第 6 步输入点要复制到的位置，上部管嘴外侧的点是原来点 Y 方向上+3 的位置。重复 15 步骤，创建下侧的两个小管嘴外侧的点，下侧小管嘴复制到在原来点 Y 方向上移动-3 的位置。无复制完毕之后按按右下角的按钮，使工作区调整至显示整个网格如下：无（5）隐藏坐标网格显示按照下图 14 将坐标网格线

4、隐藏，以便于后面的操作。（6）由点创建直线和圆弧线按照下图 14 步骤创建出一条直线，第 3 步 Shift+鼠标左键，选中直线两段的点重复 14 步骤，创建出其他所需要的直线，最终结果如下图。需要注意的是创建的直线时要选取最近的点，而且各直线不能重叠，否则在后面将线组成面的操作中，这些直线不能构成一个封闭的面。无按下图 17 步骤分别创建混合器的两段圆弧圆弧，（7）由线组成面按下图，14 步骤，将线组成面，其中第 3 步，用 Shift+鼠标左键，选中组成各面的线，组成面的各直线，必须能构成一个封闭的空间。无按照同样方法重复 14 的步骤，第 4 不选择小管嘴的各线，将组成小管嘴的三个矩形也

5、组成面，这个我们得到了 4 个面如下：步骤步骤 3：网格划分：网格划分（8）划分各面的网格划分网格首先要将组成各面各线按照一定的方式划分，按照右图 16步骤操作，第 3 步，用 Shift+鼠标左键选中需要划分的直线。第 4 步，用鼠标右键选则划分类型为 interval count，即按照个数划分。无重复操作以上16步骤按照下图的数目， 将一个面的组成各线进行等分划分。无按照下图 14 步骤划分出网格，第 3 步 Shift+左键选中要划分网格的面按照上述同样的操作， 将小管嘴矩形两边划分成 5 等分， 最后划分网格如下。步骤步骤 4：边界条件类型的指定：边界条件类型的指定（9）设置边界类型

6、无步骤步骤 6：网格文件的输出：网格文件的输出（10）导出网格文件用菜单明 File:Export : Mesh，在弹出的对话框中输入要导出网格文件的路径和文件名后，按 Accept 按钮，将网格文件导出最后用菜单命令 File: Exit 关闭 Gambit 回话，在退出之前，Gambit 会问是否保存当前的项目，点击 Yes 将项目保存。2 用用 Fluent 求解求解按照右图 17 步骤设置边界类型注意：第 3 步要用鼠标右键选 Edges 类型；第4步用Shift+鼠标右键选中热水进口管嘴的最外边第 5 步要用鼠标右键选中 Velocity_inlet（速度入口）类型的边界；第 6 步

7、输入入口的名字 inlet1，然后按 Apply 按钮增加一个入口。重复 17 步骤，在第 4 步选中冷水入口的边，在第 6 步输入名字 inlet2，创建冷水入口 inlet2。重复 17 步骤，在第 4 步选中混合水出口的边，第 5 步选中的边界类型为 Outflow，在第 6 步输入名字 outlet，创建出口边界 outlet无用 Fluent 求解包括导入和检查网格、建立求解模型、设置边界条件、求解、显示计算结果等。步骤步骤 1：网格文件的读入、检查及显示：网格文件的读入、检查及显示（1）网格的导入和检查及有关操作启动 Fluent6 后，在以下窗口中选 2D 求解器，后按 Run，

8、进入 Fluent。用菜单命令 Flie: Read: Case，在打开对话框中，指定到在 Gambit 中导出的网格文件 e:examplemixer.msh，点击 OK 后，将网格文件导入到 Fluent 中。Fluent 读入网格文件“mixer.msh”时，并菜单命令 Grid: Check 检查网格。无网格检查列出了 X,Y 的最大和最小值，同时还报告了网格的其他特性， 如单元格的最大体积、体积和最小体积、面积等，报告的最小体积不能为负值，否则Fluent 无法进行计算。为了保证网格质量，可以用菜单命令 Grid: Smooth/Swap 平滑和交换网格。在弹出对话框中点击 Smoo

9、th 按钮，再按 Swap 按钮，重复操作，直到报告中无需要交换的面为止。No nodes moved, smoothing complete.Done.Number faces swapped: 0Number faces visited: 1520用菜单命令 Grid: Scale 确定长度单位， 在弹出的对话框中将 Grid Was Createin 中选成 cm，然后点击 Change Length Units 按钮，最后点击 Scale 按钮，对话框显示如下图，最后按 Close 按钮关闭对话框。无最后用菜单命令 Display: Grid，在对话框中按 Display 按钮，将网格

10、显示出来无步骤步骤 2：选择计算模型：选择计算模型建立求解模型，包括选择求解器、设置湍流模型、选择能量方程等步骤。选择求解器选择求解器：菜单命令 Define: Models: Solver，对话框显示如下：无Solver 求解器分为 Segregated（分离）和 Coupled（耦合）两种；Formulation（算法）有 Implicit（隐式算法）和 Explicit 显式算法两种；Space（空间属性）有 2D（二维空间）和 Asisymmetric（轴对称空间）Axisymmetric Swirl（轴对称旋转空间）三种；Time（时间属性）分为 Steady（定常流动）和 Unst

11、eady（非定常流动）两种；Velocity Formulation（速度属性）有 Absolute（绝对）和 Relative（相对）两种；保持默认设置不变，点击 OK 关闭对话框。设置湍流模型设置湍流模型：用菜单命令 Define: Models: Viscous 对话框显示如下：Inviscid 表示无粘（理想）流体；Laminar 表示层流模型；另外 4 个为常见的湍流模型。在这里选择 k-epsilon 后，按 OK 按钮，将显示对话框如下，点击 OK保持默认值。选择能量方程选择能量方程：菜单命令 Define: Models: Energy，打开对话框中，勾选上Energy Equ

12、ation，并按确定按钮。无步骤步骤 3：定义固体的物理性质：定义固体的物理性质设置流体的物理属性， 可以从 Fluent 数据库中选用， 也可以新建一种新流体，并且输入流体的密度、等压比热、导热系数、动力粘度等物理属性。用菜单命令 Define: Materials 显示 Materials 对话框如下：右侧按钮 Fluent Database 选取数据库中的流体，对话框显示如下：在选择 water-liquid（H2O）后，流体的各物理属性显示在下，按 Copy 按钮，无再按 Close 按钮关闭该对话框，此时 Materials 对话框中已经显示出复制的流体。按 Change/Creat

13、e 按钮将材料设置为 water-liquid 后，按 Close 按钮关闭 Materials对话框.步骤步骤 4：设置边界条件：设置边界条件用菜单命令 Define: Boundary Conditions打开对话框如下， 我们在 Gambit设置的三个边界类型 inlet1、inlet2 和 Outlet 之外，还有 fluid（流体）和壁（wall）这两种边界属性。左侧栏中选中 fluid， 右侧类型中选 fluid， 按 Set 按钮， 流体对话框显示如下，将 Material Name 选择 water-liquid（这是我们刚才设置流体属性时，从 Fluent 材料库中复制过来的

14、流体） ，然后按 OK 按钮。无左侧栏选上 inlet1 按钮，发现右侧类型栏中为 Veloctiy Inlet，这是我们在Gambit 下设置的类型，按 Set 按钮，在弹出的对话框中按下图，设置该入口的边界条件后按 OK 按钮。用同样的方法可以设置好outlet2的入口边界条件， 温度为350K， 其他与outlet无相同。出口的边界条件保持默认值如下。壁面（wall）的边界条件保持默认值（热流量为 0）即可。设置完边界条件后，点击边界条件对话框上的 Close 按钮将其关闭。步骤步骤 5：求解设置：求解设置求解过程包括流场初始化、设置监视器、迭代计算等步骤流场的初始化：流场的初始化：菜单

15、命令 Solver: Initialize: Initialize，对话框显示中，选择从 inlet2 开始计算如下：点击 Init 按钮进行初始化之后，再点击 Close 按钮关闭该对话框。设置监视窗口：在求解时，所关心的是出口的温度、速度是否达到稳定，为此 Fluent 可以设置监视器，对所关心界面的物理量进行监视。菜单命令 Solver: Monitors: Surface，在监视器对话框中设置如下图：无将 Surface Monitors 增加 1 之后，选上 Plot，然后按 Define 按钮，按照下图设置，在定义监视器对话框，设置成监视 outlet 的平均重量加权温度，并且在窗

16、口中显示出来。以上设置完成之后， 可以通过用菜单命令 File: Write: Case将该项目保存。以后如果需要打开该项目，可以通过菜单命令 File: Read : Case将项目打开用菜单命令 Solver:Iterate，在显示的对话框中将 Number of Iterations（迭代次数）输入 300 次，点击 Iterate 开始计算。无设置的监视窗口显示如下，在计算到约 150 次后出口截面上已经达到稳定状态，计算完成。步骤步骤 6：保存结果：保存结果用菜单命令 File: Write: Case & Data，将项目和计算结果保存在一个文件夹中。如果以后再需要查看计算结果，用

17、菜单命令 File: Read: Case & Data 就可以将项目的计算结果读入后，用 Display 菜单命令将计算结果显示出来。七、实验结果处理七、实验结果处理通过 Display: Contours 命令，打开 Contours 对话框如下：无在 Contours of 栏下选择 Temperure，按 Display 按钮，则温度分布图显示如下，如果将 Options 中的 Filled（填充）去掉，则温度分布图入右图显示。用同样方法，可以显示压力分布图和速度分布图如下：无用菜单命令 Display: Velocity Vector，显示速度矢量场，在弹出的对话框中按照如下选择，并

18、按 Display 按钮得到用箭头表示的速度矢量分布图如下：无此外，还可以创建出流口上的温度分布 XY 图。通过菜单命令 Plot: XY Plot，在显示的对话框中设置如下：其中 Y 轴的函数为温度，Surface 选上 outlet，点击Plot 按钮。得到出口的温度 XY 分布图如下：无（7）二阶离散化方法重新计算以上的求解计算使用的是是一阶离散化方法。一般来说，其计算结果不如二姐离散化方法精度高，收敛性也不如二阶离散化方法理想。下面介绍如何使用使用二姐离散化方法求解。用菜单命令 Solve: Controls: Solution，打开对话框如下，在 Discretization（离散化

19、方法） 下 Energy （能量） 项选 Second Order Upwind， 在 Under-RelaxaztionFactors（松弛系数）项的 Energy 项，由 1 降为 0.8，其他项不变，点击 OK。菜单命令 Solve: Iterate，在 Iterate 设置对话框中将 Number of Iterations 项输入 200，点击 Iterate，开始计算，监视窗口显示如下，表示在迭代了 150 次左右无时温度达到稳定。用菜单命令 Display: Contours，显示求解结果，显示温度分布图，和原先的温度分布图比较可以发现，求解结果已经得到改善。（8）自适应网格修改

20、功能混合器中的热交换计算，还可以通过进一步修改网格，使其更适合于流动计算，达到更理想的拟合效果。可以通过在现有计算的基础上，以温度梯度为基点来改善网格。首先确定温度梯度的范围。用菜单命令 Display: Contours 在显示的对话框中，将 Options 中的 Node Values 选项不选中，按 Display 按钮，显示出温度分布无图如下：发现各单元间边界不光滑了，在准备改进网格时，应该先看一下单元的值，可以看出要进行改进的区域。在 Contours of 下拉列表中， 选择 Adaption和 Adaption Function， 在 Options项不选择 Node Value

21、，点击 Display，得到温度梯度显示图如下：在 Options 不选择 Auto Range，改版最小温度梯度值，将 Min 设置为 0.01，点击 Display，显示出需要改进的高温度梯度的网格如下，这部分网格是我们需要改进的网格。无用菜单命令 Adapt: Gradient 打开对话框，在 Gradient of 下来框中选中Temperature 和 Static Tempreature；在 Option 中不选 Coarsen，即只细化修改网格而不粗糙化。点击 Compute，Fluent 将计算出温度梯度的最大值和最小值，在Refine Threhold 中输入 0.01，点击 Mark。显示即将细化的网格有 82 个：82 cells marked for refinement, 0 cells marked for coarsening点击 Manage，在打开的单元注册对话框（Manage Adapti