计算流体动力学

1、基于fluent的冷热水交换器场内流体数值模拟余珩摘要：介绍了FLUENT 软件的主要特点及其在冷热水混合器内的应用情况。通过使用FLUENT软件的标准k- 湍流模型对冷热水混合器进行三维数值模拟，分析其内部流场变化情况。通过模拟，能真实反映混合器内部的复杂流动，为混合器的设计和改进提供理论依据。关键词：FLUENT；冷热水混合器；数值模拟引言工程热水恒温混合器，是为适应中央热水工程向大型化、自动化和人性化发展的技术要求而研发的，是为太阳能热水工程和各种生活热水供水系统专门配套的一种全自动洗浴水恒温控制设备。广泛适用于宾馆、饭店、学校、医院、厂矿、机关及洗浴中心、游泳池等大中小型生活热水系统。

2、由于混合器的广泛应用，混合器内的各个流场也受到内流研究者的广泛关注。1 FLUENT 软件简介FLUENT 是美国FLUENT 公司开发的集流场、燃烧和热、质量传输以及化学反应于一体的商业CFD软件, 也是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一1。自其上市以来, 在全球众多的CFD 软件开发研究厂商中, FLUENT 软件占有最大的市场份额。独特的优点使FLUENT 在水利船舶、材料加工、燃料电池、航空航天、旋转机械、噪声污染、核能与动力等方2。面均有广泛应用。FLUENT 软件的最大特点是具有专门几何模型制作软件Gambit 模块,并可以与CAD 连接使用,同时备有很多附加条件和附加方程添

3、加接口，使用了目前较先进的离散技术和计算精度控制技术,如多层网格法、快速收敛准则以及光滑残差法等, 数学模型的离散化和软件计算方法处理较为得当。实际应用中发现,该软件在模拟单相流动或进出口同向或反向流动时，可以得到较好的模拟计算结果, 且具有一定的计算精度。FLUENT 软件包主要具有常用的6 种湍流数学模型、辐射数学模型、化学物质反应和传递流动模型、污染物质形成模型、相变模型、离散相模型、多相模型、流团移动模型、多孔介质、多孔泵模型等。FLUENT 软件的核心部分是纳维斯托克斯(Navier-Stokes)方程组的求解模块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法,包括SIMPLE、SIMP

4、LEC、PISO 三种算法，采用有限体积法离散方程, 其计算精度和稳定性都要优于传统编程中使用的有限差分法。而对可压缩流动采用耦合法, 即将连续性方程、动量方程以及能量方程联立求解。FLUENT 软件主要由前处理、求解器以及后处理3 大模块组成。采用自行研发的GAMBIT 前处理软件来建立几何形状及生成网格, 然后由FLUENT 进行求解。冷水和热水分别自混合器的两侧沿水平切向方向流入，在容器内混合后经过下部渐缩通道流入等径的出流管，最后流入大气。是三维流动问题，所研究的内容是混合器内的流场、压力分布和温度场。2使用Gambit建立混合器计算模型计算网格生成是计算流体力学和其他数值模拟技术的一

5、个重要组成部分，是促进CFD 工程使用化的一个重要因素。网格生成过程就是把一个给定的区域(或几何体)分解成有限单元，以便使偏微分方程有较好的数值解。网格生成是连接几何模型和数值算法的纽带，几何模型只有被划分成一定标准的网格时才能对其进行数值求解，网格划分越细，得到的结果就越精确，但耗时就越多。由此可以看出，网格生成是进行数值计算的第一步，有着极其重要的地位。本文研究了不同结构混合器，以进水口直径不同时的模型为例来进行模拟仿真。其进、出口管径分别为2、4 mm，混合器直径为20 mm，高度为8 mm。利用GAMBIT 建立混合器的几何模型，利用TGrid 程序对整体进行网格划分（采用四面体网格）

6、。划分好网格后，检查网格的划分情况。图1 是以进、出水口直径为2mm 为例来说明网格划分，直径为4 mm 模型的划分思路一样。2.1启动GAMBIT并选定fluent5/6求解器。2.2创建混合器主体2.2.1 使用GEMETRY中VOLUME的Create Real Cylinder命令创建一个圆柱体，是混合器的主体部分。（1）在Height高度右侧填入8；（2）在radius1右侧填入10；（3）在AXIS Location中选择positive Z（4）点击Apply。2.2.2在同样的面板中创建两个圆柱体，分别是热水和冷水的切向入流管（1）在Height高度右侧填入10；（2）在rad

7、ius1右侧填入1；（3）在AXIS Location中选择positive X（4）点击Apply。2.2.3使用GEOMETRY的VOLUME中的BOOLEAN OPERATIONS面板对圆柱体进行合并的的布尔操作。2.2.4使用GEMETRY中VOLUME的Create Real Cylinder命令创建一个圆锥体，是混合器的流出口产生湍流的部分。（1）在Height高度右侧填入5；（2）在radius1右侧填入1；（3）在radius3右侧填入10；（4）在AXIS Location中选Nagative Z；（沿Z轴的反方向）（5）点击Apply。2.2.5使用GEOMETRY的VOL

8、UME中的BOOLEAN OPERATIONS面板创建流出小管，并下移到圆锥体的下部。（1）在Height高度右侧填入5；（2）在radius1右侧填入1；（3）在AXIS Location中选择Nagative Z（4）点击Apply。2.2.6使用GEOMETRY的VOLUME中的BOOLEAN OPERATIONS面板对将混合器上部、渐缩部分和下部流出小管合并为一个整体。2.3混合器内区域网格划分2.3.1使用MESH中的VOLUME面板的MESH VOLUMES命令划分网格（1）选择混合器的边缘线，选择混合器主体；（2）在Spacing项，选择Interval size 并填入0.5；

9、（3）在Type项目中选择TGrid；（4）点击Apply。2.3.2使用EXAMINE MESH检查网格划分情况（1）在Display Type项中选择Plane；（2）选择3D Element及四面体（3)在Quality Type中选择EquilAngle Skew；（4）在Out Orienation像中拖动Z轴滑块检查Z平面的网格质量。2.4设置边界类型2.4.1在ZONE中的SPECIFY BOUNDARY TYPES面板中设置入流口（inlet-1）（1）设置入流口（inlet-1）边界类型为VELOCITY_INLET；（2）确定Action项为Add；（3）Name中输入in

10、let-1；（4）选择入流口（5）Apply。2.4.2重复上述步骤，设置另一个入流口（inlet-2）边界类型2.4.3在ZONE中的SPECIFY BOUNDARY TYPES面板中设置出流口（Outlet）（1）边界类型为PRESSURE_OUTLET；（2）Name中输入pressure-outlet；（3）选择混合器下部出流口断面；（4）Apply。图一：网格完成后的模型3利用FLUENT 3D求解器进行求解使用控制方程与标准k- 湍流模型。本文主要分析冷水和热水分别自混合器的两侧沿水平切线方向流入，在容器内混合后经过下部渐缩管道流入等径的出流管，最后流入大气。图二：Fluent中显

11、示的网格模型入口边界：混合器入口速度可以认为是均匀分布的，分析的流体是稳态不可压缩的水。冷水入口速度大小1 m/s，温度280 K，热水入口速度大小1 m/s，温度320 K，冷热水入水口的湍动能k 和湍能耗散系数 分别按5%的湍流强度和2 mm 水力直径计算确定。出口边界：由于系统背压的存在，对于流出区域，采用压力形式边界。压力边界值设置为P=1.3×105 Pa，即表压设为0 Pa。壁面条件：固体壁面上采用无滑移条件。4 计算结果与分析采用标准壁面函数、分离隐式求解器进行模拟。进口条件湍流模型k 和 的指定采用湍流强度与水力直径。在求解中分别选用标准k- 模型,模拟计算三维冷热水

12、混合器内部液体流动状况。结果显示，入水口半径为1 mm 时，标准k- 湍流模型在158 次迭代时达到收敛,当入水口半径增大到2 mm 时，模型在迭代108 次时就达到收敛。在迭代过程中打开监视器进行迭代，如图三所示。图三：迭代时常差图图四：Z平面上的温度分布图图五：壁面的温度分布4.1温度分布图的比较图四 和图五 分别是入Z平面上和壁面上的温度分布图,通过比较可看出，当入流口直径较大时，单位时间内进入混合器内流体质量较多，混合器内同一位置温度梯度小，但是最终都趋于同一温度300 K。图六：X平面压力分布图图七：Z平面的速度矢量图图八：X平面的速度矢量图九：流体质点轨迹4.2速度矢量图的比较图八

13、和图九分别是X平面和流体质点的速度矢量图，经分析可得，流体以1 m/s 流进混合器，随着入水口的增大，进入混合器的流体速度也增大，当r =2 时，流体混合较充分。图10 和图11 分别是x=0 平面上的速度矢量图及速度矢量局部放大图。从图九中可以很明显的看到水流在混合器的壁面产生漩涡，涡量是流体产生回流的量度。入口处，流量大而入口截面积小容易导致回流，漩涡一方面造成水流的局部压力损失；一方面造成混合器内流体流动分布的不均匀。当入水口半径增大时，漩涡现象明显减小，减少了水流混合时的能量消耗，有利于冷热水的充分混合。中心线上的压强分布。图十：沿Z轴的压强分布图4.3压强比较Z轴上的压强分布图，当z

14、=08 mm 时，压强趋于稳定值，由于入水口半径为1 mm 的混合器内存在漩涡，造成压力损失，直线有稍微波动；当z=0-5 mm 时，流体经混合器流经下部圆锥容器内，此时压力急剧下降，当z=-5-10 mm 时，流体从锥型容器经出水口流出，因为流体进入半径较小的出水管，由于涡旋的存在导致流体的压力继续减小，直到流出时压力为零。5 结论(1) 本文介绍了作为主流CFD 软件FLUENT 的主要特点，举例说明了FLUENT 软件在冷热水混合器中的应用。采用FLUENT 中的标准k- 湍流模型进行计算, 对液体分布器内部流场进行了分析, 能捕捉到混合器内部流场的许多规律性的东西，准确反映混合器内部温度、速度流场,对混合器的设计和改进有很好的指导作用。(2)对不同直径进水口的混合器模拟结果表明，入流口直径的大小对混合器的内部流场有一定影响。增大入流口直径可以缓解涡旋现象，减小流体内速度分布的不均匀性。(3) CFD 可以很容易实现变结构的流动计算，并提供大量详细的流动信息，省时省力，具有试验研究无法比拟的优点，其结果具有很强的指导意义6。参考文献：1 ANSYS Inc. FLUENT 612 UDF manual M South2pointe , USA:Fluent Inc.,2005.2 马艺, 金有海, 王振波.FLUENT 软件在液-液旋流器中