管內(nèi)流動(dòng)地模擬(fluent)

實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案模型模型管的直徑為 1m，長度20m。幾何模型是對稱的，因此只對管道的一半進(jìn)行模擬。水以0.015m/s的速度從進(jìn)口邊界進(jìn)入。流動(dòng)雷諾數(shù)為15000。．建立模型及網(wǎng)格劃分① 建立模型及網(wǎng)格劃分的步驟在此處暫時(shí)省略， 以后后機(jī)會(huì)再補(bǔ)上。 這里直接讀入網(wǎng)格文件pipe.msh ，開啟Fluent3D 雙精度求解器（ DoublePrecision ），（這里是典型的狹長管道，需要開啟雙精度求解器） 。② 讀入網(wǎng)格后應(yīng)檢查網(wǎng)格及網(wǎng)格尺寸，通過 Mesh下的Check和Scale進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這里不做詳細(xì)描述。．求解模型的設(shè)定① 求解器設(shè)置。這里保持默認(rèn)的求解參數(shù)，即基于壓力的求解器定常求解。下面說一說 Pressure-based 和Density-based 的區(qū)別：Pressure-BasedSolver是Fluent的優(yōu)勢，它是基于壓力法的求解器，使用的是壓力修正算法，求解的控制方程是標(biāo)量形式的，擅長求解不可壓縮流動(dòng)，對于可壓流動(dòng)也可以求解； Fluent6.3 以前的版本求解器，只有 SegregatedSolver 和CoupledSolver ，其實(shí)也 Pressure-BasedSolver 的兩種處理方法；b. Density-BasedSolver 是Fluent6.3 新發(fā)展出來的，它是基于密度法的求解器，求解的控制方程是矢量形式的，主要離散格式有 Roe，AUSM+ ，該方法的初衷是讓Fluent 具有比較好的求解可壓縮流動(dòng)能力，但目前格式?jīng)]有添加任何限制器，因此還不太完善；它只有 Coupled 的算法；對于低速問題，他們是使 用精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案Preconditioning 方法來處理，使之也能夠計(jì)算低速問題。 Density-BasedSolver下肯定是沒有 SIMPLEC，PISO這些選項(xiàng)的，因?yàn)檫@些都是壓力修正算法， 不會(huì)在這種類型的求解器中出現(xiàn)的；一般還是使用 Pressure-BasedSolver 解決問題?；趬毫Φ那蠼馄鬟m用于求解不可壓縮和中等程度的可壓縮流體的流動(dòng)問題。 而基于密度的求解器最初用于高速可壓縮流動(dòng)問題的求解。 雖然目前兩種求解器都適用于各類流動(dòng)問題的求解（從不可壓縮流動(dòng)到高度可壓縮流動(dòng)） ，但對于高速可壓縮流動(dòng)而言，使用基于密度的求解器通常能獲得比基于壓力的求解器更為精確的結(jié)果。② 流動(dòng)模型設(shè)置。這里使用的是 k 湍流模型，Define/Models/Viscous 。a. 這里我們使用的湍流模型是 Standard k 模型，這種模型應(yīng)用較多，計(jì)算量適中，有較多數(shù)據(jù)積累和比較高的精度， 對于曲率較大和壓力梯度較強(qiáng)等復(fù)雜流動(dòng)模擬效果欠佳。一般工程計(jì)算都使用該模型， 其收斂性和計(jì)算精度能滿足一般的工程計(jì)算要求，但模擬旋流和繞流時(shí)有缺陷。壁面函數(shù)的選擇，我們這里選擇的是，增強(qiáng)壁面函數(shù)法。其不依賴壁面法則，對于復(fù)雜流動(dòng)，特別是低雷諾數(shù)流動(dòng)很合適。其缺點(diǎn)在于，要求網(wǎng)格密，因而要求計(jì)算機(jī)處理時(shí)間長，內(nèi)存大。（這里選擇增強(qiáng)壁面函數(shù)，并沒有說明原因，我認(rèn)為是考慮雷諾數(shù)較小的緣故。）精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案．材料物性設(shè)置設(shè)置材料為 water-liquid(h20<1>) ，Define/Materials ，這里不再詳述。4．計(jì)算域設(shè)置一般來講，計(jì)算域與邊界條件在建模時(shí)已確定， 這里只是根據(jù)具體需要， 設(shè)置相關(guān)參數(shù)。計(jì)算域在這里默認(rèn)， Define/CellZoneConditions ，設(shè)定流體介質(zhì)為液態(tài)水。．邊界條件設(shè)置① 設(shè)置進(jìn)口的邊界條件。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案從Zone列表中選擇 inlet，并設(shè)置Type為velocity-inlet 。再單擊Edit彈出VelocityInlet 對話框。Momentum 設(shè)置：設(shè)置入口速度為 0.015m/s，而SpecificationMethod 中的設(shè)置如圖。在TurbulenceSpecificationMethod（湍流定義方法）下拉列表中，可以簡單地用一個(gè)常數(shù)來定義湍流參數(shù)，即通過給定湍流強(qiáng)度、湍流粘度比、水力直徑或湍流特征長在邊界上的值來定義流場邊界上的湍流。這里選擇IntensityandHydraulicDiameter ，湍流強(qiáng)度與水力直徑的確定有相應(yīng)的計(jì)算方法，這里只是采用估算來加以確定。計(jì)算雷諾數(shù)：ReUD，可求得Re為15000本文給出了 TurbulentIntensity 的計(jì)算公式：TurbulentIntensity 0.16Re1/8，可得到其值為 4.8（暫未理解該公式，留予以后討論）精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案② 設(shè)置出口的邊界條件。從Zone列表中選擇 outlet，并設(shè)置 Type為pressure-outlet 。再單擊 Edit彈出PressureOutlet 對話框。壓強(qiáng)出口邊界條件在流場出口邊界上定義靜壓，而靜壓的值僅在流場為亞聲速時(shí)使用。如果在出口邊界上流場達(dá)到超音速， 則邊界上的壓強(qiáng)將從流場內(nèi)部通過差值得到。 其他流場變量均從流場內(nèi)部通過插值獲得。Momentum 設(shè)置：使用默認(rèn)的表壓參數(shù)值，因?yàn)槌隹跒榇髿鈮海?SpecificationMethod 中的設(shè)置如圖。而對于模型，這里的紊流參數(shù)和前面相同，設(shè)置如圖：精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案6．求解① SolutionMethods ：在Momentum 、TurbulentKineticEnergy 和TurbulentDissipationRate 下拉列表中均選擇 SecondOrderUpwind ，因?yàn)榱鲌霾⒉粡?fù)雜，所以用戶可以直接使用高階格式。 如果是復(fù)雜流動(dòng)， 則推薦使用一階格式獲得收斂后， 再設(shè)置離散格式為高階格式。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案② SolutionInitialization ：對于穩(wěn)態(tài)問題，計(jì)算的初始化并不顯得那么重要， 這里只將Computefrom 下拉列表中選擇 inlet，然后點(diǎn)擊 Initialize 按鈕。③ 激活殘差圖，并設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)。Solve/Monitors/Residuals ，在所有方程式的 AbsoluteCriteria 文本框中輸入 1e-06。④ RunCalculation ：設(shè)置迭代步數(shù)，開始迭代，這里設(shè)置為 400。．后處理① 創(chuàng)建等值面圖。Surface/Iso-Surface ，從 From Surface 列表中選擇 symmetry ，從 Surface ofConstant 下拉列表中選擇 Mesh和X-Coordinate ，在Iso-Values 文本框中輸入 0，精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案在NewSurfaceName文本框中輸入centre-line，這個(gè)面顯示沿管道軸線的速度變化。創(chuàng)建另一個(gè)平面 x-0，不選擇FromSurface 列表中的symmetry ，在NewSurfaceName 文本框中輸入 x-0創(chuàng)建XY圖Display/Plots/XYPlot單擊 Set Up 按鈕，彈出 Solution XYPlot 對話框，從 Surfaces 列表中選擇centre-line ，設(shè)置PlotDirection 為X=0，Y=0和Z=1,從YAxisFunction 下拉列表中選擇Velocity 和ZVelocity ，單擊Axes按鈕，彈出Axes-SolutionXYPlot 對話框，勾選Options 選項(xiàng)組中的 MajorRules 復(fù)選框和MinorRules 復(fù)選框，同理對Y軸也做同樣操作，最后單擊 Plot。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案如圖所示的速度圖可以用來計(jì)算管道入口段的長度，速度達(dá)到 99.9%時(shí)的距離即為入口段長度。由以上計(jì)算得到的圖，入口段長度為 15.19m（此處計(jì)算結(jié)果并不是這樣，原因有待于進(jìn)一步研究），這與本書參考文獻(xiàn)的報(bào)告值相符。計(jì)算出口的摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)被用以表示管道的壓降，其定義為：精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案2PDf其中 p為沿管道長度的壓降，為管道直徑，為管道橫截面的平均速度，為流體密度壓力平衡后，剪切力使該式的形式變?yōu)椋?/p>

L v28f式中， 為壁面的剪切應(yīng)力。創(chuàng)建壁面和出口交界面的線。Surface/Iso-Surface

v2從From Surface 列表中選擇 wall，從Surface of Constant 下拉列表中選擇 Mesh和Z-Coordinate ，在Iso-Values 文本框中輸入 20，在New Surface Name 文本框中輸入wall-outlet 。報(bào)告面積分Report/ResultReports/SurfaceIntegrals計(jì)算出口的平均剪切應(yīng)力，從 Report Type 下拉列表中選擇 Area-WeightedAverage，從FieldVariable 下拉列表中選擇 WallFluxes 和WallShearStress ，從Surfaces列表中選擇 wall-outlet ，單擊Compute 。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案AreaWeightedAverage(pascal) 中顯示的剪切力值為 0.00085945718計(jì)算出口的平均速度從ReportType 下拉列表中選擇 Mass-WeightedAverage ，從Field Variable 下拉列表中選擇 Velocity 和ZVelocity ，從Surfaces 列表中選擇 outlet，單擊Compute 。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案Mass-WeightedAverage(m/s) 中顯示平均速度值。摩擦應(yīng)力以下式計(jì)算8f② 顯示壁面 Y+的值。

v2Display/GraphicsandAnimation/Contours ，設(shè)置如圖精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案結(jié)果如圖大多數(shù)計(jì)算域的 Y+值大于5（這里似乎并不是這樣） ，除了進(jìn)口附近節(jié)點(diǎn)以外。這表明增強(qiáng)型壁面處理方式作為壁面函數(shù)是可以接受的。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案③ 激活鏡像平面，查看完整幾何模型。Display/Views ，從MirrorPlanes 列表中選擇 symmetry ，單擊Apply，如圖。④ 顯示x 0平面的速度云圖。Display/GraphicsandAnimation/Contours ，設(shè)置如圖精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案結(jié)果如圖⑤ 創(chuàng)建z 0.1等值面，并顯示該平面的速度云圖。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案其中DrawProfiles 是將速度分布以側(cè)面顯示出來。圖形如圖精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案⑥ 創(chuàng)建動(dòng)畫。Display/GraphicsandAnimation/SceneAnimation單擊add按鈕，第一個(gè)名為 Key-1的幀將被添加到 Keys列表中。設(shè)置動(dòng)畫幀，Display/Scene ，從Names 列表中選擇 profile-8-velocity-magnitude ，單擊Iso-Value 對話框。在 Value中輸入10，單擊Apply 按鈕。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案在Animate 面板中的Frame中輸入150，單擊Add按鈕。最后一個(gè)幀的名為 Key-150，將其加到