fluent作业王京辉Word文档下载推荐.docx
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有自由表面的水流
1、问题描述:
一个敞开到大气的大容器,顶部半径为1m,高为1m,内部高度的1/3充满水,水上为空气。
容器以角速度3rad/sec匀角速旋转。
利用FLUENT-2d求解计算容器内的水流情况以及自由表面形状的变化过程。
主要参数如下:
角速度:
ω=3rad/s;
空气密度:
ρ=1.225kg/m³
;
黏度:
μ=178940kg/(m.s);
水的密度:
ρ=998.2kg/m³
μ=1x10³
kg/(m.s)
2、利用GAMBIT建模:
1、在gambit中建模时只需要建一半容器的一般模型,容器在xy平面内关于y轴对称,。
如图1所示。
图1半个容器的轮廓图
2、网格划分
进行线网格划分,如图2所示。
图2线网格分布图
在面上创建结构化网格,如图3所示。
图3面网格图
3、设置边界类型
(1)边X=0为压力入口
(2)边Y=0为对称轴
(3)其他为固壁如图4所示。
图4边界类型设置
4、保存rotat.msh文件。
3、利用FLUENT求解器进行求解
1、启动FLUENT求解器,将前处理建立的.msh文件导入到fluent-2d中。
节点数为1271,单元数为1200。
进行网格检查,网格体积必须全大于0。
长度单位设置为分米。
2、设置求解器
(1)定义轴对称旋转瞬态流动模型。
①在space项选择轴对称旋转流动(axissymmetricswirl);
②在time项选择非定常流动(unsteady);
③在velocityformulation选择绝对速度(absolute);
④在unsteadyformulation项选择一阶隐式算法(1st-orderimplicit),其它选择默认。
(2)设置vof模型
①在model项选择vof;
②在vofscheme项选择显式求解。
③相得数量设置为2.
(3)设置湍流模型
Model设置为标准的κ-ε模型,其它保持默认。
3、设置流体材料和属性
从材料数据库中复制液态水,作为第二流体。
4、设置基本相和第二相
空气为基本相,水为第二相。
5、设置操作环境
在此处设置x方向的重力加速度为9.81m/s²
,如图5所示。
并且设置工作流体的密度,保留默认设置即可。
图5操作环境设置
6、设置边界条件
设置容器顶部的边界条件,如图6、7所示。
图6压力入口边界条件设置
图7压力入口边界条件设置
设置容器固壁的边界条件,如图8。
图8壁面边界条件设置
7、求解。
设置求解控制参数,图9所示。
图9求解控制参数设置
设置残差监视器
设置监测点
监测点的坐标为(0.75,0.65)如图10所示。
图10监视器设置
求解初始化
选择压力入口为初始项。
设置水的初始分布
在迭代计算之前定义好在容器的下部1/3内。
水的体积比例为1,并以3rad/s的角速度旋转如图11所示。
因此需要为此区域定义一个单元,另外,还需为容器的旋转速度定义一个自定义函数。
定义自底部起1/3的区域,最大点的坐标和最小点的坐标分别为(0.66,0)和(1,1)。
图11匀角速度旋转的速度分布图
显示水的体积比例分布图,如图12所示。
图12容器内的初始水、气分布图
设置迭代计算时间间隔
设置时间间隔为0.002s,自动保存的时间间隔为100步,设置1000个时间间隔计算。
时间间隔为0.002s,在计算t=2s内的流动过程中,fluent会每隔0.2s自动保存一次date文件。
其轴向速度随时间的变化过程如图13所示。
图13监测点轴向速度变化图
从图中可以看出速度波动的周期为1s,波幅显示出下降的趋势。
轴向速度从正值变为负值说明水在容器的边上是上下晃动的,流体质点趋向于一个平衡位置。
波幅衰减说明在某一点上会达到这一平衡。
8、计算结果的后处理
绘制水气分布图
分别显示在0.2s、0.4s,0.6s,0.8s,1.0s时容器内的水气分布云图。
如图14所示。
(a)0.2s时水气分布云图
(b)0.4s时水气分布云图(c)0.6s时水气分布云图
(d)0.8s时水气分布云图(e)1.0s时水气分布云图
图14容器内的水气分布云图
图14(a)~(e)分别为容器在0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1s时的水气分布云图,从中可以看出水面时随着时间逐渐趋于平衡的。
这是因为旋转速度是随着时间而波动并逐渐衰减的,所以水面也会随着速度的减小趋于水平。
可以预期后面的计算结果是水面将逐渐趋于平衡,当重力和离心力水平时,水面达到了平衡。
绘制速度矢量图和等流函数云图
分别绘制在各个时间下容器的速度矢量与等流函数云图图,如图15所示。
(a)0.2s时容器速度矢量与等流函数云图(b)0.4s时容器的速度矢量与等流函数云图
(c)0.6s时容器的速度矢量与等流函数云图(d)0.8s时容器的速度矢量与等流函数云图
(e)1.0s时容器的速度矢量与等流函数云图(f)1.2s时容器的速度矢量与等流函数云图
(g)1.4s时容器的速度矢量与等流函数云图(h)1.6s时容器的速度矢量与等流函数云图
(i)1.8s时容器的速度矢量与等流函数云图(g)2.0s时容器的速度矢量与等流函数云图
图15容器的速度矢量与等流函数云图
图15(a)~(g)是速度矢量和等流函数云图。
从图中可以看出,在速度较大时容器底部两侧靠近壁面处水流形成涡流现象。
随着速度的减小,涡流逐渐消失,可以预测后面的计算结果是水面将逐渐趋于平衡,当重力和离心力水平时,涡流现象完全消失。
等流函数云图显示的是水面上下波动的循环流动。
可以看出容器底部的水流循环呈现出逐渐衰弱的趋势,主要也是因为速度的减小导致水流循环的减弱。