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八、管道彎頭中流體混合流動(dòng)與傳熱

2021-04-01 21:35 作者:Dearanwen 0人讀過 | 我要投稿

八、管道彎頭中流體混合流動(dòng)與傳熱

這次我們使用fluent做一個(gè)流體流動(dòng)與傳熱的模擬。如圖1所示，進(jìn)口5和進(jìn)口6分別進(jìn)入兩股流體，兩股流體會(huì)在彎頭處進(jìn)行混合，考慮到流動(dòng)與換熱的影響，查看穩(wěn)定下來之后的壓力和速度分布云圖。

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1.?物理模型

物理模型如圖1所示，模型尺寸圖中已標(biāo)出，為了簡化計(jì)算，模型為二維模型。但實(shí)際上是圓管，這里的二維模型會(huì)帶來誤差，之前的文章我們提到過，Fluent即便模擬二維流動(dòng)，實(shí)際上也是三維的，因?yàn)閷?duì)于二維模型，F(xiàn)luent會(huì)自動(dòng)給它一個(gè)1m的深度如圖2，因此實(shí)際上二維的計(jì)算變成了方形管。這里我們不考慮這樣的誤差。

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圖1.模型尺寸圖

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圖2.二維模型的深度

2.?啟動(dòng)Fluent導(dǎo)入mesh文件

2.1啟動(dòng)界面

直接雙擊打開fluent軟件，會(huì)出現(xiàn)圖3的界面，這里我們介紹一下。Dimension表示維度，如果三維模型則選擇3D，二維模型就選擇2D。Options表示精度，有單精度和雙精度之分，勾選Double Precision就是選擇了雙精度，否則就是單精度。Display Options表示顯示選項(xiàng)，對(duì)計(jì)算沒有影響，可以自己嘗試一下。

Processing Options表示計(jì)算是串行還是并行，所謂串行即使用一個(gè)CPU進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算速度較慢。并行則是使用多個(gè)CPU計(jì)算，計(jì)算速度快，但是對(duì)電腦要求也高，普通的工作電腦沒有多個(gè)CPU，實(shí)際上只要CPU是多核的就可以使用并行計(jì)算（可以查看自己的電腦CPU是幾核）。比如8核的CPU，可以選擇使用一半即4核進(jìn)行計(jì)算，不能將CPU全部用于計(jì)算，否則電腦會(huì)卡機(jī)。

這里我們使用串行計(jì)算即可。

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圖3.Fluent啟動(dòng)界面

2.2導(dǎo)入Mesh文件

File-read-mesh，導(dǎo)入mesh文件后，單擊display，可以顯示網(wǎng)格。

單擊check一下，以確保沒有負(fù)體積出現(xiàn)。

單擊Scale按鈕，Scaling---Convert Units---Mesh Was Created in，選擇in（表示英尺）。這里實(shí)際上在對(duì)Fluent導(dǎo)入的模型修改尺寸。有兩種修改方法，說起來內(nèi)容太多，以后會(huì)慢慢普及，這里不再詳談。比較著急的可以私信。

圖4.修改尺寸界面

3.?定義求解器

求解器定義如圖5，基于壓力穩(wěn)態(tài)二維平面且不考慮重力。

操作壓力保持默認(rèn)即可，即101325pa

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圖5.求解器設(shè)置

4.?選擇模型

打開能量方程，同時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型。有三種不同的k-e模型，標(biāo)準(zhǔn)k-e模型，RNG k-e模型，Realizable k-e模型，這三種模型分別適用于不同的情況，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型，適合完全湍流的流動(dòng)過程模擬，對(duì)于旋流計(jì)算誤差較大。本例沒有旋流出現(xiàn)，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型。

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圖6.選擇模型

5.?材料設(shè)置

單擊materials，彈出材料面板，單擊fluid，將name改為water，密度:1000，比熱容:4216，導(dǎo)熱系數(shù):0.677，動(dòng)力粘度:0.0008。

單擊Chang/Create，完成材料的創(chuàng)建。

圖7.材料設(shè)置

6.?邊界條件設(shè)置

一共有5個(gè)邊界條件，

單擊velocity-inlet-5，將Type改為velocity-inlet。這一步是在更改邊界條件的類型。

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圖8.更改邊界條件的類型

然后雙擊velocity-inlet-5會(huì)出現(xiàn)圖9

圖9.邊界條件設(shè)置

我們一項(xiàng)一項(xiàng)看，第一項(xiàng)Velocity Specification Method會(huì)包含三項(xiàng)Magnitude and Direction、Components、Magnitude , Normal to Boundary。

Magnitude and Direction：指定速度的值，然后通過指定x和y的分量來確定速度的具體方向，類似于向量的值*單位向量來確定最終的速度方向及大小

Components：直接給定x和y方向的速度

Magnitude , Normal to Boundary：只需要給出速度值，速度值垂直于邊界。

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圖10.速度設(shè)置

圖11.Magnitude and Direction

這里我們選擇任一種方法都可以，如圖11Magnitude and Direction，指定速度0.4m/s，只沿著x方向。湍流設(shè)置選擇湍流強(qiáng)度5%，水力直徑4，湍流設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果沒有影響，但會(huì)影響計(jì)算速度。這里還需要設(shè)置溫度為20℃即293.15K

對(duì)于velocity-inlet-6的設(shè)置與velocity-inlet-5類似，設(shè)置速度為1.2m/s。只沿y方向，溫度40℃即313.15K，湍流強(qiáng)度5%，水力直徑1。

對(duì)于pressure-outlet-7將邊界類型改為pressure-outlet即可，不需要進(jìn)行設(shè)置。

對(duì)于wall-4，wall-8保持默認(rèn)即可。

7.?設(shè)置計(jì)算域

我們的計(jì)算域里面全是water，Material Name選擇water即可

圖12.計(jì)算域設(shè)置

8.?求解控制設(shè)置

Solution Method和Solution Controls均保持默認(rèn)

9.?初始化設(shè)置

選擇Hybrid Initialization，單擊Initialize完成初始化

初始化并不影響結(jié)果，但是會(huì)影響計(jì)算速度。

如果選擇Standard Initialization，一般Compute from選擇進(jìn)口邊界，即以進(jìn)口邊界作為初始條件，下面的參數(shù)如速度壓力等都是進(jìn)口邊界的參數(shù)，當(dāng)然也可以對(duì)每一項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行自定義。

圖13.初始化設(shè)置

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10.?物理量監(jiān)控

我們對(duì)出口的溫度（質(zhì)量平均下的溫度）進(jìn)行監(jiān)控，如圖14，Report Type選擇Mass-weighted average（質(zhì)量平均），F(xiàn)ield Variable選擇溫度，Surfaces選擇壓力出口；左邊的Options將Print to console（值在控制面板輸出）和Plot（畫出曲線圖）都勾選，Window設(shè)置為2，否則會(huì)占用殘差曲線窗口。

圖14.監(jiān)控物理量

為什么要物理量進(jìn)行監(jiān)控？因?yàn)橛袝r(shí)候我們的計(jì)算是否收斂并不能根據(jù)殘差來判斷，殘差小于某個(gè)特定值就收斂，這個(gè)特定值畢竟是人為設(shè)置的，不一定合理。很多時(shí)候我們都是根據(jù)兩種方法判斷是否收斂，一是必須質(zhì)量能量守恒，這個(gè)可以在后處理中看到，二就是根據(jù)某些計(jì)算過程中物理量不再發(fā)生變化，如本例中的出口溫度

11.?計(jì)算求解

將計(jì)算步數(shù)設(shè)置為150，單擊Calculate進(jìn)行計(jì)算?

圖15.計(jì)算求解

12.?結(jié)果后處理

我們的計(jì)算目的是看兩種流體混合后的壓力即速度云圖。對(duì)于云圖，可以在Results-Animations-Contours中看到，單擊Contours，出現(xiàn)圖16，Options勾選前四項(xiàng)，默認(rèn)是不勾選Filled的，如果不勾選顯示的就是等值線。Contours of選擇壓力，Surfaces不要進(jìn)行選擇，如果全選云圖中會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格，最終的壓力云圖如圖17，速度云圖如圖18