fluent冷热混合器模型指导解读.docx
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fluent冷热混合器模型指导解读
三维流动与传热的数值计算
问题描述：
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逐渐收缩的通道流入等直径出流管，最后流入大气。
这是一个三维流动问题，所研究的内容是混合器内的流场，压力分布和温度场。
利用GAMBIT建立混合器计算模型
第一步：
启动GAMBIT并选定求解器（FLUENT5/6）
第二步：
创建混合器主体（GEOMETRY----VOLUME-----CREATEVOLUME-----cylinder，如图1）
a）Height（长度）:
8Radius1（半径）:
10
b）AxisLocation（中心轴）选择PositiveZ（z轴正向）
c）其他默认
第三步：
设置混合器切向入流管道
a）按照上步建立切向流管
b）流管Height（长度）:
10Radius1（半径）:
1
c）AxisLocation（中心轴）选择Positivex（x轴正向）
第四步：
将流管移到混合器主体中部边缘
（GEOMETRY----VOLUME-----CREATE-VOLUME----MOVE/COPY.......如图2）
a）Volumes右侧黄色区域向上箭头选择小管（选中变红）
b）Global（位移量）输入：
x=0,y=9,z=4
c）其他项保持默认。
d）选择apply应用
e）将小管以z轴旋转180度：
Operation选择Rotate
f）Volumes选择Copy
g）Volumes右侧黄色区域向上箭头选择小管（选中变红）
h）Angle（旋转角度）填入180
i）
其他默认，然后选择应用（如图3）。
3.将小管以Z轴为轴旋转180度复制
操作（GEOMETRY----VOLUME-----CREATE-VOLUME----MOVE/COPY.......如图2）
打开“Move/CopyVolumes”设置对话框3↓8所示，并进行如下设置。
a）在Volumes项，选择Copy，并点击右侧黄色区域：
图3
b）用shift＋鼠标左键点击组成入流小管的边线，此时小管变成了红色：
c）在Operaton项，选择Rotate;
d）在Angle（旋转角度）右侧填入180;
e）在Axis项，注意到：
ActiveCoard.Sys.Vector（0,0,0）一＞（0,0,1）
这表明，当前的旋转轴矢量为Z轴，保留这一设置。
点击Apply，生成图像如图4。
图4
第五步：
将三个圆柱体联结成一个整体
（GEOMETRY-----VOLUME-----UNITEREALVOLUME，如图5）
a）点击而lumes右侧的箭头，打开体积列表框
b）点击All－＞，选择三个已经存在的圆柱体：
c）点击Close关闭体积列表：
d）点击Apply，合并后图形如图6。
图5
第六步：
创建主体下部的圆锥
（GEOMETRY-----VOLUME----CENTERVOLUME,如图7）
a）在Height项填入5;
b）在Radiusl项填入1;（出流口小管的半径为1）。
c）在Radius3项填入10：
与柱体外边缘相接：
d）在AxisLocation项下拉列表中选择NagativeZ,C沿Z轴的反方
e）
图7
点击Apply.
第七步：
创建出流小管（选择同第二步）
1.创建出流口小圆管
（1）设置出流口小圆管的Height（长度）为5,Radius1C半径）为l;
（2）在AxisLocation下拉列表中，选择NagativeZ;
（3）点击Apply。
2.将其下移并与锥台相接
打开“Move/CopyVolumes，，设置对话框。
（1）在Volumes项，选择Move，并点击右侧黄色区域：
（2）用shift＋鼠标左键点击组成出流小管的边线；此时小管变成了红色：
（3）在Operation项，选择Translate;
（4）在TypeC坐标类型）右侧下拉列表中选择Cartesian（笛卡儿）坐标：
（5）在Global（位移量）项，输入x=0,y=0,z=-5;
（6）点击Apply，结果图8。
图8
第八步：
将混合器上部、渐缩部分和下部出流小管组合为一个整体（操作同第五步）
第九步：
对混合器内区域划分网格
（MESH---VOLUME-----MESHVOLUMES）
（1）点击Volumes右侧黄色区域：
（2）用shift＋鼠标左键点击、混合器边缘线；
（3）在Spacing项，选择Intervalsize，并填入0.5;
图9
（4）保留其他默认设置，特别是要注意在Type项选择TGrid;
（5）点击Apply。
则区域内的网格图如图9所示。
第十步：
检查网格划分情况（ExamineMesh，如图12）
（1）在DisplayType（显示类型）项选择Plane（平面）：
（2）选择3DE1ement以及：
（3）勿在QualityType（大小类型）项选择EquilAngleSkew;
（4）在OutOrientation项，用鼠标左键拖动Z轴滑块，则会显示不同Z值平面上的网格（如图11）：
（5）在OutOrientation项，用鼠标左键拖动X和Y轴滑块，贝U会显示X和Y平面上的网格：
（见图10）。
（6）在Display乃pe项选择Range，点击对话框下部滑块可选择现实的比例及大小。
第十一步：
设置边界类型（ZONE---SPACFIC----BOUNDARYTYPE,如图13）
（1）设置入流口（inlet-1）边界类型为VELOCITY_INLET:
a）确定Action项为Add;
b）在Name项输入inlet1。
在type（类型）列表中选择VELOCITY_INLET;
d）点击Faces项右侧区域：
e）用shift鼠标左键点击混合器入流口截面边线，此时入口边线的圆变为红色。
点击Apply。
（2）重复上述步骤，设置另一个入流口（inlet-2）边界类型为VELOCITY_INLET;
（3）设置下部出流口边界类型为PRESSURE_OUTLET。
a）在Name项填入pressure-outlet;
b）在可pe列表中选择PRESSURE_OULET;
c）在Faces项选择混合器下部出流口断面：
d）点击Apply。
注意：
对于其他未设置的面，默认为固壁
图11
第十二步：
输出网格文件（file—export---mesh）
利用FLUENT30求解器进行求解
第1步：
检查网格并定义长度单位
1.读入网格文件（File-----Read----Case...）
2.确定长度单位为cm
操作Grid-----Scale...
打开“ScaleGrid”设置对话框如图14所示。
（1）在UnitsConversion下的GridWasCreatedh右侧列表中选择cm;
图14
（2）点击ChangeLengthUnits：
此时左侧的ScaleFactors下的X,Y,Z项都变为0.01。
（3）点击下边的scale按钮：
此时，DomainExtent附下的单位由m变为cm，并给出区域的
（4）点击Close关闭对话框。
3.检查网格
操作：
Grid----Check:
检查并在信息反馈窗口（屏幕）显示检查过程和结果，其中要特别注意保持最小体积为正值。
4.显示网格
操作：
Display-----Grid...
打开网格显示对话框后，点击Display，可得到区域网格图如图15所示。
第2步:
创建计算模型
1.设直求解器
操作Define----Model----Solver
打开“Solver＂设置对话框如图16所示。
（1）在Solver项选择Segregated;
（刀在Formulation项选择Implicit;
（3）在Space项选择3D;
（4）在Time项选建Steady;
（5）点击OK。
2.启动能量方程
操作Define----Modle----Energy.
打开“Energy”设置对话框如图17所示，点击OK.
3.打开湍流模式
操作Define----Model----Viscous
选择k-epsilon[2equ],其他保持默认，点击OK.
第3步：
设置流体的材料属性
操作Define-----Materials．．
打开“Materials”设置对话框如图18所示。
（1）点击Database...按钮，打开“DatabaseMaterials＂对话框如图3↓28所示：
（2）在FluidMaterials列表中选择water-liquid;
（3）点击Copy，点击Close关闭“DatabaseMaterials”对话框：
（4）点击Close，关闭“Materials”设置对话框。
第4步：
设置边界条件
操作Define-----BoundaryCondition
打开“BoundaryConditions”设置对话框如图20所示。
1.设直入流口1的边界条件
（1）在Zone列表中选择inlet-1;
图20
（2）点击Set...按钮：
打开“VelocityInlet”设置对话框如图19。
（3）在VelocitySpecificationMethod（速度定义方法）项下拉列表中选择Magnitude，NormaltoBoundary（速度大小，方向垂直作于作用面）：
（4）在VelocityMagnitude（速度大小）项填入1m/s;
（5）在Temperature[K］项填入320;
（6）TurbulenceSpecificationMethod（湍流定义方法）项下拉列表中选择IntensityandHydraulic.
（7）TurbulenceIntensity填入5%
（8HydraulicDiameter项填入2cm;（入口直径）
（9）点击OK按钮。
2.设置入口2的边界条件
（1）在“BoundaryConditions，，对话框中，在Zone列表中选择inlet-2·
（2）点击Set...按理：
打开“VelocityInlet”。
（3）在Temperature项填入200K，其他与入口1设置相同：
（4）点击OK按钮。
3.设直出流口的边界条件
（1）在Zone列表中选择pressure-outlet;
（2）勾点击Set...按钮：
打开“PressureOutlet，，设置对话框如图21所示：
（3）在GaugePressure（表压强）项填入0;
（4）BackTotalTemperature（出口总温）项设置为300K;
（5）其他与入口边界设置相同：
（6）点击OK。
第5步：
求解初始化
操作Solve----Initialize-----Initialize...
打开求解初始化设置对话框如图22所示。
（1）在Initia1es（初始值）项中，GaugePressure项设置为0:
XVelocity项设置为0;
Y-Velocity项设置为0:
Z-Velocity项设置为－1;
（2）点击Init。
第6步：
设置监视器
操作Solve----Monitors------Residual...
打开“ResidualMonitors”设置对话框如图23所示。
（1）在Options项选择Plot;
（2）保留其他默认设置，点击OK。
第7步：
保存Case文件
操作：
File----Write----Case
第8步：
求解计算
操作Solve-----Iterate...
打开迭代计算设置对话框如图24所示。
（1）在NumberofIterations项填入200;
（2）点击Iterate按钮。
Fluent开始计算。
在迭代119次后，计算收敛，残差曲线图如图25所示。
图24
图25
计算结果的后处理
第1步：
读入Case和Data文件
操作File-----Case&Data...
第4步：
绘制温度与压强分布图
操作Display------Grid...
（1）在Options项可以选择线（Edges）或面（Faces）;
（2）在Surfaces列表中，可以选择不同的面进行网格显示和观察：
（3）可以利用鼠标左键和中键对图形进行旋转、缩放和移动。
第2步：
显示网格
第3步：
创建等（坐标）值面
为显示3D模型的计算结果，需要创建一些面，并在这些面上显示计算结果。
FLUENT自
动定义边界面为面，比如Inlet-1,inlet-2和Pressure-outlet边界上均可显示计算结果。
但这些是不够的，还需要定义一些其他的面来显示计算结果。
1.创建一个z=4cm的平面，命名为surf-1
操作:
Surface----Iso-Surface
打开“Iso-Surface”设置对话框如图26所示。
（1）
在SurfaceofConstant下拉列表中选择Grid...和Z-Coordinate;
（2）点击Compute：
在Min和Max将显示区域内z值的范围；
（3）在Iso-Values项填入4;
（4）在NewSurfaceName下填入surr-1:
I
（5）点击Create。
此平面为在混合器内通过两个入口轴线的平面。
2.创建一个x=O的平面，命名为surf-2
（1）在SurfaceofConstant下拉列表中选择Grid...和和X-Coordinate
（2）点击Compute：
在min和max栏将显示由内x值的范围；
（3）在Iso-Values项填入0;
（4）在NewSurfaceName下填入surl-2;
（5）点击Create，点击Close关闭对话框。
此平面为通过z轴，且与入口轴线相垂直的平面。
第4步：
绘制温度与压强分布
1.绘制温度分布图
操作：
Display-----Contours...
打开“Contours”设置对话框如图27所示。
现绘制水平面surl-1上的温度分布图：
（1）在Options项选择Filled;
（2）在ContoursOf项选择Temperature...和StaticTemperature;
（3）在Levels项填入30;
（4）在Surfaces项选择surf-1
（5）点击Display按钮。
则在surf-I平面上的温度分布图如图28所示。
2.绘制壁面上的温度分布图
（1）在Surfaces项不选择surf-I，选择wall;
（2）点击Display按钮，则壁面上的温度分布如图29所示。
3.绘制垂直平面surf-2上的压力分布
（1）在ContoursOf项选择Pressure和StaticPressure;
（2）在Surfaces项选择Surf-2，点击Display按钮，则surf-2上的温度分布如图30所示。
第5步：
绘制速度矢量图
操作:
Display-----Vectors
打开“Vectors”设置。
1.显示在surf-1上的速度矢量图
（1）在Style项下拉列表中选择arrow;
（2）将Scale项改为3;
（3）在Surfaces项列表中选择surf-1:
（4）保留其他默认设置，点击Display按钮。
则在图形窗口显示surf-1上的速度矢量图如图32所示。
2.显示在surf-2上的速度矢量图
（1）在Surfaces项列表中选择surf-2;
（2）保留其他默认设置，点击Display按钮。
则在图形窗口显示surf-2上的速度矢量图如图31所示。
图32
第6步：
绘制流体质点的迹线
迹线就是流体质点在运动过程中所走过的曲线。
对于观察和研究复杂的三维流动来说，绘制流体质点的迹线是一个很有效的方法。
1.创建一条流体质点的起始线
操作:
Surface-----Line/Rake...
打开“Line/RakeSurface”设置对话框33所示。
（1）在Type下拉列表中选择Rake;创建直线设置对话框这里有两种类型，一个是rake表面，由在两个端点之间等距离分布的点组成。
另一个是line表面，其上的点可以是非等距分布。
（2）在NumberofPoints项保留默认的10：
这将会产生10条迹线。
（3）在EndPoints（直线的端点）项，设起点为（10,8,4），端点为（10,10，。
这是入口处
的一条径线的两个端点。
（4）在NewSurfaceName项填入名字rake-7;
（5）点击Create，点击Close关闭对话框。
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