CFD案例的設(shè)置操作可以大致分為以下4個基本步驟:

1、幾何處理

2、網(wǎng)格劃分

3、求解設(shè)置

4、求解控制（后處理屬于分析過程）。

每個步驟下還會包括幾個小步，比如幾何處理包括導(dǎo)入或創(chuàng)建幾何、進(jìn)行幾何修復(fù)、劃分邊界表面等。

PART1簡介

多孔介質(zhì)應(yīng)用的領(lǐng)域：許多工業(yè)應(yīng)用，如過濾器、催化床和填料，都涉及對多孔介質(zhì)的流動進(jìn)行研究。本案例說明如何設(shè)置和解決涉及通過多孔介質(zhì)的氣流問題，并說明fluent meshing的大致設(shè)置流程。

這里解決的工業(yè)問題涉及通過催化轉(zhuǎn)換器的氣流。催化轉(zhuǎn)換器通常用于對環(huán)境有害的廢氣排放轉(zhuǎn)化為可接受的物質(zhì)來凈化汽油和柴油發(fā)動機(jī)的排放。包括一氧化碳 （CO）、氮氧化物 （NOx） 和未燃燒的碳?xì)浠衔锶剂?。這些廢氣排放通過基板，基板是涂有鉑或鈀等金屬催化劑的陶瓷結(jié)構(gòu)。

因此，CFD分析對于設(shè)計高效的催化轉(zhuǎn)換器非常有用。通過模擬廢氣流量，可以確定壓降和流經(jīng)基板的均勻性。

PART2問題描述

建模的催化轉(zhuǎn)化器如圖所示。氮?dú)庖?25m/s和800K的均勻速度流過入口，通過具有方形通道的陶瓷整體基板，然后通過出口排出，陶瓷基板的兩段流體域已經(jīng)建立好。

雖然入口和出口部分的流動是湍流的，但通過基板的流動是層流的，其特征是沿入口軸項的慣性和粘性損耗系數(shù)較小?；脑诔肆鲃虞S向的其他方向是不可滲透的。徑向使用比軸向高三個數(shù)量級的損失系數(shù)進(jìn)行建模。

PART3幾何處理與網(wǎng)格劃分

本文使用fluent的網(wǎng)格劃分模塊fluent meshing進(jìn)行幾何處理與網(wǎng)格劃分。

工作流程包括“Watertight Geometry”（封閉幾何的流程）、“Fault-tolerant meshing”（處理有泄露孔幾何的流程）或者自定義一種網(wǎng)格劃分流程三種。本文的幾何使用“watertight Geometry”流程。

3.1啟動網(wǎng)格劃分工作流程

a. 在“工作流”選項卡中，選擇“watertight Geometry”工作流。

b. 查看工作流的任務(wù)。

//Watertight Geometry包括以下幾個步驟。1、導(dǎo)入幾何，2、添加局部網(wǎng)格控制，3、生成面網(wǎng)格，4、描述幾何，5、封閉流體域，6、確認(rèn)邊界類型，7、創(chuàng)建并確認(rèn)區(qū)域，8、添加邊界層，9、生成體網(wǎng)格。//

3.2導(dǎo)入幾何圖形

選擇導(dǎo)入幾何的類型，單位。選擇幾何文件后點(diǎn)Import Geometry導(dǎo)入幾何。

3.3局部網(wǎng)格控制

a.在“ 添加局部大小調(diào)整” 任務(wù)中，提示添加本地大小調(diào)整中，選擇 “YES”。

b.輸入局部網(wǎng)格控制的名字，網(wǎng)格增長率、選擇控制類型、局部最小尺寸與最大尺寸等參數(shù)，如上圖所示。

c.在列表中選擇“sensing_element-65-solid、sensor_innertube-67-solid和 sensor_protectiontube-66-solid1”。

d.單擊“Add local Sizing”然后執(zhí)行工作流中的下個任務(wù)。

3.4生成曲面網(wǎng)格

a.在生成曲面網(wǎng)格任務(wù)中，可以設(shè)置全局曲面網(wǎng)格的各種屬性，包括最大最小尺寸等。

b.選擇“高級選項”可以顯示其他設(shè)置，具體設(shè)置參數(shù)如上圖。

c.單擊 生成曲面網(wǎng)格 等待曲面網(wǎng)格生成。

3.5描述幾何圖形

選擇描述幾何任務(wù)時，系統(tǒng)會提示與導(dǎo)入的幾何圖形的性質(zhì)相關(guān)的問題。

a.在幾何類型下選擇The geometry consists of both fluid and solid regions and/or voids，因為此模型同時包含流體和固體以及胃封閉的開口。

b.在“是否要蓋住開口并抽取液體區(qū)域？”選擇yes。

c.在“將所有流體-流體邊界類型從”wall“更改為”內(nèi)部?”選擇yes，因為本案例為多孔介質(zhì)的模擬流動，流體間的交界面需要處理為internal。

d.其余保留默認(rèn)設(shè)置。

e.單擊描述幾何圖形。

3.6封閉流體域

選擇Enclose Fluid Regions(Capping)任務(wù)，可以封蓋幾何體中的任何開口，以便稍后提取封閉的流體區(qū)域。

a.為入口創(chuàng)建一個封閉面。

i.封蓋面的名字設(shè)置為inlet。

ii.區(qū)域類型，選擇速度入口。

iii.在標(biāo)簽列表中，選取in1作為要覆蓋的開口或者在GUI上選擇入口附近的環(huán)形面。

iv.單擊Create Caps,創(chuàng)建封閉入口。

b.為出口創(chuàng)建封閉面

i. 封蓋面的名字設(shè)置為outlet。

ii. 區(qū)域類型，設(shè)置為壓力出口。

iii. 在標(biāo)簽列表中，選取out1作為要封閉的出口。

iv. 單擊Create Caps,創(chuàng)建封閉出口。

///此時，幾何體中的所有開口都被覆蓋。///

3.7確認(rèn)并更新邊界

a.選擇“更新邊界”任務(wù)，可以在其中檢查幾何邊界并相應(yīng)地確認(rèn)和更改任何指定的邊界類型。

b.上述默認(rèn)邊界類型都是正確的，此處單擊“更新邊界”。

3.8創(chuàng)建流體區(qū)域

a.選擇“創(chuàng)建區(qū)域”任務(wù)，可以在其中確定需要提取的流體區(qū)域數(shù)。

b.對于估計的流體區(qū)域數(shù)，輸入值3，本案例的需要流體域有3個，加上陶瓷基板的兩段流體域之前就已經(jīng)有，本案例一共5個流體域。

c.單擊創(chuàng)建區(qū)域，提取的流體區(qū)域顯示在GUI中。

3.9確認(rèn)流體固體區(qū)域

a. 選擇“更新區(qū)域”任務(wù)，可以在其中查看和更改從導(dǎo)入的幾何生成的各個區(qū)域的名稱和類型，并根據(jù)需要進(jìn)行更改。

///我們可以看到三個流體區(qū)域被定義了，但是，基底的兩個區(qū)域被標(biāo)識為固體區(qū)域。因此我們可以在此任務(wù)中更改它們的名稱，并設(shè)置為正確的區(qū)域。///

b.在表中將兩個基底固體區(qū)域改為fluid，并分別重命名為fluid:substarte:1和fluid:substarte:2

c.單擊更新區(qū)域。

3.10添加邊界層

在“添加邊界層”任務(wù)中，可以在其中設(shè)置邊界層網(wǎng)格的屬性。本案例保留默認(rèn)設(shè)置，然后單擊添加邊界圖層。

3.11生成體積網(wǎng)格

a.在“生成體積網(wǎng)格”任務(wù)，可以在其中設(shè)置體積網(wǎng)格的屬性。

b.保留默認(rèn)設(shè)置，然后單擊生成體積網(wǎng)格。

3.12切換到求解器

生成體網(wǎng)格后，檢查網(wǎng)格是否有問題，沒問題就可以切換到求解器模式（Switch to Solution）。

PART4求解設(shè)置

4.1常規(guī)設(shè)置

在“域”功能區(qū)選項卡的“網(wǎng)格”組框中，設(shè)置長度單位。(Domain-Mesh-Units)

a.在數(shù)量下選擇長度。

b.在單位下選擇mm。

c.關(guān)閉 “設(shè)置單位 ”對話框。

4.2通用設(shè)置

保留通用面板的默認(rèn)設(shè)置（穩(wěn)態(tài)，壓力基）。

4.3模型設(shè)置

1.啟用能量模型，在計算中考慮溫度的影響（在Setup-Models-Energy中打開）。

2.湍流模型，保留默認(rèn)的 k-ω SST 湍流模型。

4.4材料設(shè)置

通過從Fluent材料數(shù)據(jù)庫復(fù)制氮?dú)?，將氮?dú)馓砑拥搅黧w材料列表中（Setup-Materials-Fluid，從材料庫中復(fù)制）。

4.5設(shè)置區(qū)域條件

1.為流體區(qū)域fluid:0設(shè)置流體域（在Setup-cell-zone conditions中選中fluid:0點(diǎn)Edit打開）。

a.從材料名稱下拉列表中選擇氮?dú)狻?/p>

b.單擊應(yīng)用并關(guān)閉流體對話框。

2.對其他流體區(qū)域（fluid：1和fluid：3）執(zhí)行相同的操作。

3.設(shè)置基板的多孔區(qū)域條件（fluid：substrte：1）。

a.打開流體區(qū)域設(shè)置面板后，在材料列表中選擇氮?dú)狻?/p>

b.啟用多孔區(qū)以激活多孔區(qū)域模型。

c.勾選層流區(qū)域，使得該區(qū)域為層流流動。

d.在多孔區(qū)選項卡中，使得多孔區(qū)域的方向向量的設(shè)置以及粘性阻力和慣性阻力如下表所示。

e.單擊應(yīng)用并關(guān)閉流體對話框。

4.對其他基材重復(fù)這些步驟（fluid：substrte：2）。

4.6邊界條件

1.設(shè)置入口的速度和湍流邊界條件（雙擊Setup-Boundary Conditions-inlet進(jìn)邊界條件設(shè)置面板）

a.輸入 125 m/s 作為 速度大小。

b.輸入 5% 作為 湍流強(qiáng)度。

c.輸入 500mm 作為 水力直徑。

d.單擊熱選項卡，然后輸入 800 K 作為入口流體的溫度。

e.單擊應(yīng)用并關(guān)閉速度入口對話框。

2.在出口處設(shè)置邊界條件。

a.保留表壓的默認(rèn)設(shè)置 0。

b.保留回流湍流強(qiáng)度的默認(rèn)值 5%。

c.輸入500mm作為回流液壓直徑。

d.單擊熱選項卡，然后輸入800 K作為流體的回流溫度。

e.單擊應(yīng)用并關(guān)閉壓力出口對話框。

3.保留剩余的默認(rèn)邊界條件（本案例默認(rèn)所有流固耦合避免皆為絕熱面，固壁面設(shè)置保持默認(rèn)）。

4.7解決方案

在初始化方法中下選擇標(biāo)準(zhǔn)初始化，在初始化頁面中選擇通過入口計算初始場，點(diǎn)擊初始化。

///標(biāo)準(zhǔn)是多孔介質(zhì)模擬的推薦初始化方法。默認(rèn)的混合方法不考慮多孔介質(zhì)屬性，并且根據(jù)邊界條件，可能會產(chǎn)生不切實際的初始速度場。對于多孔介質(zhì)模擬，僅當(dāng)在“混合初始化”對話框中啟用了“保持恒定速度大小”選項時，才應(yīng)使用混合方法。///

4. 開始計算。

a. 輸入 150 作為迭代次數(shù)。

b. 單擊“計算”開始迭代。

PART5后處理

三維壓力場

三維速度矢量

PART6小結(jié)

本案例重點(diǎn)如下：

1.Watertight Geometry的操作流程，在Fluent meshing中如何封閉提取流體域，生成網(wǎng)格。

2.多孔介質(zhì)的設(shè)置過程，如何對多孔介質(zhì)的粘性阻力系數(shù)跟慣性阻力系數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

本文參考：《Ansys_Fluent_Tutorial_Guide_2023_R1》

END