FLUENT系列资料5.docx

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FLUENT系列资料5

蒸汽喷射器内的传热模拟

问题描述：

该问题为一个蒸汽喷射器的内部流动和热量交换问题。

左侧进入的工作蒸汽12245Pa，下侧进入的引射流体压力为1360.5Pa，右侧出口的压力为6802.5Pa。

该问题中所说的压力皆为相对压力，蒸汽皆为饱和水蒸汽。

喷射器的结构如图1所示。

图1喷射器结构图

在本例中将利用FLUENT-2D的非耦合、隐式求解器，针对在喷射器内的定常流动进行求解。

在求解过程忠，还会利用FLUENT的网格优化功能对网格进行优化，使所得到的解更加可信。

本例涉及到：

一、利用GAMBIT建立喷射器计算模型

（1）在CAD中画出喷射器的图形

（2）将CAD图形输出为*.sat的文件格式

（3）用GAMBIT读入上面输出的*.sat文件

（4）对各条边定义网格节点的分布，在面上创建网格

（5）定义边界内型

（6）为FLUENT5/6输出网格文件

二、利用FLUENT-2D求解器进行求解

（1）读入网格文件

（2）确定长度单位：

MM

（3）确定流体材料及其物理属性

（4）确定边界类型

（5）计算初始化并设置监视器

（6）使用非耦合、隐式求解器求解

（7）利用图形显示方法观察流场与温度场

一、前处理——用CAD画出喷射器结构图并导入GAMBIT中

在CAD中按所给的尺寸画出喷射器的结构图，画完后输出为pensheqi.sat的文件（如图2所示）。

CAD中的操作：

文件→输出….点击保存到你想保存到的文件夹中

图2输出数据对话框

启动GAMBIT，建立一个新的GAMBIT文件。

操作：

File→NEW…

此时出现的窗口如图3所示。

在ID右侧的文本框内填入：

f:

\文件夹名\pensheqi

点击Accept后，即建立了一个新的文件。

图3新文件对话框图4导入CAD图形对话框

第1步：

确定求解器

选择用于进行CFD计算的求解器。

操作：

Solver→FLUENT5/6

第2步：

导入喷射器的结构图

操作：

File→Import→ACIS…

点击Browse找到刚才从CAD中输出的pensheqi.sat文件，选中后点击Accept即可导入所需的图形。

（需再CAD中将所画的图形创建成面域，否则无法读入）

第3步：

确定边界线的内部节点分布并创建结构化网络

1、创建各条边上的节点分布

操作：

MESH

→EDGE

→

打开的“MESHEdges”对话框如图5所示。

图5边线网格节点设置对话框

（1）点击Edges右侧的黄色区域，使其处于活动状态；

（2）Shift+鼠标左键，点击所需划分的边线；

（3）选择Intervalsize，并保持默认值1；

（4）在喷射器的渐缩渐扩边线上按照“疏→密→疏”划分节点，选中对话框中的DoubleSided，并在下面的Ratio中填入，0.95—1.05的值，以保证节点分布是符合“疏→密→疏”的；

（5）点击Apply，生成各条边上的节点分布。

注意：

在导入CAD图形时，要将分界线以及里面的小渐缩渐扩管的右侧的边线去掉，否则，生成面网格时会出现错误；同时也应注意相对应的边上所划分的节点数应该是相等的，

否则无法建立网格。

第4步：

查看网格划分情况

操作：

MESH

→FACE

→MESHFACE

打开“MESHFACES”对话框如图6所示。

（1）点击Face右侧的黄色区域；

（2）Shift+鼠标左键点击所需划分网格的面；

（3）其他设置不变，点击Apply。

该例中生成的是四边形网格，故可保持对话框中的默认数值不变。

则生成的喷射器网格如图7所示。

图6面网格设置对话框

图7喷射器网格图

第5步：

设置边界类型

1．关闭网格显示

（1）在打开的“SpecifyDisplayAttributes”对话框（图8）中，在Mesh项选择Off。

（2）点击Apply，点击Close关闭对话框。

图8显示属性设置对话框图9边界类型设置对话框

2．设置边界类型

操作：

ZONES→SPECIFYBOUNDARYTYPES

打开的“SpecifyBoundaryTypes”对话框如图9所示。

（1）设置喷管主体左侧的入口截面为速度边界

a）在Action项选择Add

b）在Name右侧的文本框中填入边界的名称:

inlet1

c）在Type下拉列表中选择PRESSURE_INLET

d）点击Entity栏Edges右侧黄色区域

e）Shift+鼠标左键，点击边界线

f）点击Apply

（2）设置喷管左下侧的入口截面为速度边界

a）在Name右侧的文本框中填入边界的名称:

inlet2

b）点击Entity栏Edges右侧黄色区域

c）Shift+鼠标左键，点击边界线

d）点击Apply

（3）创建出流边界（喷管右侧出口截面）

a）在Name右侧的文本框中填入边界的名称outlet

b）在Type下拉列表中选择PRESSURE_OUTLET;

c）点击Entity栏Edges右侧黄色区域

d）Shift+鼠标左键，点击边界线

e）点击Apply

第6步：

输出网格并保存会话

1．输出网格

操作：

File→Export→Mesh…

图10输出网格文件对话框

（1）在对话框输入要输出的文件夹和文件名（如f:

\gambit\pensheqi.msh）

（2）选中Export2dMesh

（3）点击Accept确认，完成了网格文件的输出操作。

2．保存会话GAMBT，并退出GAMBT

操作：

File→Exit

在退出之前，GAMBIT将问你是否保存现有的会话，点击Yes，保存会话并退出GAMBT。

二．利用FLUENT进行混合器内流动与传热的仿真计算

第1步：

与网格相关的操作

1．读入网格文件：

pensheqi.mesh

操作：

File→Read→Case…

打开“SelectFile”对话框如图11所示。

图11文件选择对话框

（1）找到网格文件f：

\gambit\pensheqi.msh；

（2）点击OK，完成输入网格文件的操作

读入网格文件的同时，会在信息反馈窗口内显示如下信息：

其中包括节点数8338等，最后的Done表示读入网格成功。

图12读入网格文件的信息反馈

2．网格检查

操作：

Grid→Check

反馈窗口显示如下信息：

图13网格检查信息反馈

3．平滑和交换的网格

操作：

Grid→Smooth/Swap…（对话框如图14所示）

（1）点击Smooth/SwapGrid按钮，在点击Swap，

重复上述操作，直到FLUENT报告没有需要交换的面为止。

（如图15所示）

（2）点击Close按钮关闭对话框。

图14平滑与交换网格对话框图15信息反馈

4．确定长度的单位

操作：

Grid→Scale…打开“ScaleGrid”对话框如图16所示。

图16长度单位设置对话框

（1）在单位转换栏（UnitsConversion）中的（GridWasCreatedIn）网格长度单位右侧下拉列表中选择mm

（2）点击ChangeLengthUnits，此时，在DomainExtents栏中给出区域范围和度量单位。

（3）点击Scale

（4）点击Close关闭对话框

5．显示网格

操作：

Display→Grid…打开“GridDisplay”对话框如图17所示。

（1）在Surfaces项中选择所有的表面。

（2）点击Display按纽，则显示的网格如图18所示

图17显示网格对话框

图18喷射器网格图

第2步：

建立求解模型

1．保持Solver求解器）默认设置不变化。

操作：

Define→Models→Solver...（如图19所示）

图19求解器设置对话框图20湍流模型选择对话框

2．设置标准的

湍流模型

操作：

Define→Models→Viscous...

打开ViscousModel对话框如图20所示。

（1）选择k-epsilon，则打开“ViscousModel”设置对话框如图21所示；

（2）保留默认的值

图21湍流模型设置对话框

3．选择能量的方程

操作：

Define→Models→Energy...

打开Energy对话框如图2-1-22所示

（1）点击EnergyEquation右侧按纽；

（2）点击OK图22能量方程设置对话框

第3步：

设置流体的物理属性

1、创建新流体，取名为Vapor

操作：

Define→Materials...打开Materials对话框

（1）点击Database，在FluidMaterials中选择Water-Vapor，点击Copy、Close；

（2）在Materials对话框中的FluidMaterials下选择Water-Vapor，保持默认值不变；（如图23所示）

（3）点击Change/Create

（4）在弹出的对话框内，点击NO，

2．点击Close关闭流体属性设置对话框

图23流体材料设置对话框

第4步：

设置边界条件

操作：

Define→BoundaryConditions…打开“BoundaryConditions”对话框如图24所示。

图24边界选择对话框图25流体材料选择对话框

1.设置流体

（1）在Zone栏内选择fluid;其类型在右边Type栏内为fluid;

（2）点击Set…打开“Fluid”设置对话框如图25所示;

（3）在MaterialName下拉列表中选择water-vapor;

（4）点击OK,关闭材料选择对话框.

2.设置蒸汽入口压力边界条件

（1）在Zone栏内选择inlet1,则在右边Type栏内显示其类型Pressure_inlet.点击Set…,则打开速度边界设置对话框.

（2）在速度边界对话框中所需输入的数据如图26所示。

（3）点击OK关闭inlet1设置对话框.

图26速度边界设置对话框

3.用同样的方法对inlet2进行设置

Supersonic/InitialGaussPressure:

2680m/s；TotalTemperature:

373.5K；Turb.KineticEnergy：

2；其他与inlet1相同.

4.为出流口设置边界条件

在Zone栏内点击outlet,再点击Set…,打开“PressureOutlet”对话框,所需输入的数据如图27所示

图27出口边界条件设置对话框

第5步：

求解

1.流场初始化

操作：

Solver→Initialize→Initialize…打开“SolutionInitialization”对话框如图28所示。

图28流场初始化对话框

（1）在Computefrom列表中选择inlet2，则表中数据与边界inlet2相同；

（2）鉴于初始化仅是对内部流动的一个猜测值，可以对其数值进行更改，其结果影响到迭代计算的收敛速度；

（3）点击Init，再点击Close关闭初始化对话框。

注意：

若想查看inlet2对应的是哪个边界，可打开网格显示窗口，右击边界，即可在信息反馈窗口内显示其边界的名称及数据。

操作：

Display→Grid…;点击Display.

2.设置监视器窗口，监测特殊截面上物理量的变化

在出口处，所关心的是温度、速度是否达到稳定值，为此，FLUENT可以设置监视器，对所关心的截面和物理量进行监测。

操作：

Solver→Monitors→Surface…

打开“SurfaceMonitors”（表面监视器）设置对话框如图29所示。

图29表面监视器设置对话框

（1）将SurfaceMonitors右侧的书目增加到1；

（2）选择Plot（若同时选择Write，还可将结果写入文件）；

（3）点击Monitor-1最右边Define…按钮。

（如对话框30所示）

图30表面监视器定义对话框

（4）在Reportof项选择Temperature…和StaticTemperature;

（5）在Surfaces项选择监测表面为outlet;

（6）在ReportType下拉列表中选择Area-WeightedAverage（面积平均）；

（7）点击OK;

（8）点击“SurfaceMonitors”对话框中的OK.

3、定义残差限

操作：

solve→monitors→Residual…中定义残差限

残差限的具体设置如下：

Continuity1e-04;x-velocity1e-05;y-velocity1e-05;energy1e-06;k1e-04;epsilon1e-04，具体见图31

图31残差限定义对话框

4、设定初始压力

操作：

Define→OperatingCondition

将初始压力设定为101325Pa，其他的保持默认。

如图32所示。

图32初始压力定义对话框

5、保存case文件（mixer.cas）

操作：

File→Write→Case…

输入文件名pensheqi.cas，并点击OK。

6、开始进行800次迭代计算

操作：

solve→Iterate……

（1）在打开的对话框（如下图33所示），在NumberofIterations（迭代次数）栏中输入800；

图33迭代参数设置对话框

（2）点击Iterate开始计算。

进行800次迭代后，出口截面上平均温度与平均速度监视器窗口显示曲线如下图所示。

图34出口平均温度变化曲线

由迭代计算的过程显示可知，迭代到785次后，出口截面上的平均温度已经基本达到稳定状态。

为了更加细致的观察起变化，还应对Y轴进行放大显示。

7、在进行200次迭代计算

（1）打开图2-1-32表面监视器定义对话框，点击Axes按钮。

出现对话框如图35所示；

（2）在Axis项选择Y轴，Option项不选择AutoRange；

（3）在Range项，Minimum=391，Maxmum=401；

（4）点击Apply；点击Close关闭对话框；

（5）在“Iterate”会话框中输入200，点击Iterate，继续进行200次迭代计算。

图35轴向曲线放大设置框

在进行了200次迭代计算后，监视器的曲线图36如下所示。

由图可以看出，出口处的平均温度已经达到稳定状态。

出口平均温度为395.5K。

图36监视器曲线

8、保存data文件（pensheqi.dat）

操作：

File→Write→data…在datafile一栏中填入：

f:

\example\pensheqi.dat。

点击OK。

第6步：

显示计算结果

1、利用不同的颜色显示速度分布

操作：

Display→Contours…打开“Contours”设置对话框如图37所示。

图37

（1）在Contoursof栏下选择Velocity…（速度）和VelocityMagnitude（速度大小）；

（2）在Options下选择Filled（填充方式）；

（3）点击Compute（计算）；

（4）点击Display。

则将显示如图38所示图片。

图38速度分布图

2、温度场显示

（1）在分布图对话框中的Contoursof下拉列表中选择Temperature…和StaticTemperature；

（2）点击Compute；

（3）点击Display。

温度分布图如图39所示；若在Options下不选择Filled，则显示温度等值曲线图40。

图39温度分布图

图40温度等值曲线图

3、速度场显示

操作：

Display→VelocityVector…打开速度矢量场设置对话框如图41所示。

图41混合器内的等压线图

（1）点击Compute，可以看到最大速度和最小速度值；

（2）在Style下拉列表中选择Arrow；

（3）在Scale项填入：

3；

（4）保留其他默认设置，点击Display可以看到速度矢量场如图42所示。

图42速度矢量图

4、显示流场中的等压力线

操作：

Display→Contours…

（1）在Option下，不选中Filled；

（2）在Contourof下选择Pressure和StaticPressure；

（3）点击Display，得到等压线如图43所示。

图43混合器内等压线图

5、创建出流口截面上的温度XY曲线图

操作：

Plot→XYPlot…设置对话框如图44所示

（1）在YAxisFunction项选择Temperature…和StaticTemperature；

（2）在Surface项选择Outlet；

（3）保留其他默认设置，点击Plot。

图44XY曲线设置对话框

得到在出口截面上的温度分布如图45所示。

图45出流口截面上的温度分布图

6、制作出流口截面上的压力分布图

（1）在YAxisFunction项选择Pressure…和StaticPressure；

（2）在Surface项选择Outlet；

（3）保留其他默认设置，点击Plot。

得到压力分布图如图46所示。

图46出流口截面上的压力分布图

7、制作出流口截面上的速度分布图

（1）在YAxisFunction项选择Velocity…和StaticVelocity；

（2）在Surface项选择Outlet；

（3）保留其他默认设置，点击Plot。

得到压力分布图如图47所示。

图47出流口截面上的速度分布图

8、函数

（速度水头）

操作：

Define→CustomFieldFunction…打开自定义函数设计对话框如图48所示。

图48自定义函数设计对话框

（1）在FieldFunction下拉列表中选择Density，并点击Select；

（2）点击乘号按钮X；

（3）在FieldFunction下拉列表中选择Velocity和VelocityMagnitude，并点击Select；

（4）点击乘幂按钮y^x,然后点击数字2；

（5）点击除号按钮/，再点击2；

（6）在NewFunctionName文本框内输入dynam-head作为函数名；

（7）点击Define，再点击Close关闭对话框。

9、显示自定义函数的数值分布（等值线）

操作：

Display→Contours…

打开“Contours”对话框如图49所示。

图49等值分布设置对话框

（1）在Contours下拉列表中选择CustomFieldFunction…，则刚定义的函数dynam-head出现在下面的栏内；

（2）在Options项下不选择Filled；

（3）保留其他默认设置，点击Display；

（4）点击Close关闭对话框。

结果如图50所示。

图50速度水头的等值线图