计算流体报告

计算流体力学突扩管流场数值模拟现实生活中存在许多突扩管道，利用FLUENT软件模拟突扩管道中流体流动的情况，主要对速度分布、压力分布以及出流口截面上的速度分布情况作出分析。本例采用四种不同的模拟方法并且观察四种模拟方法对结果的影响，（1）采用cooper网格划分方法，湍流模型分别采用S-A单方程湍流模型；标准化的k-ε模型；可实现的k-ε模型。（2）采用TGrid网格划分方式，湍流模型为标准化的k-ε模型。1.FLUENT简介FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。FLUENT软件具有以下特点：FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能；FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术；FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法68，是商用软件中最多的；FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k模型组、k模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型；Gambit属于FLUENT软件包的前处理部分软件，用于网格的生成，它是具有超强组合建构模型能力的专用CFD前置处理器。FLUENT系列产品采用FLUENT公司自行研发的Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格。计算方法优点：FLUENT同传统的CFD计算方法相比，具有以下的优点：①稳定性好，FLUENT经过大量算例考核，同实验符合较好；②适用范围广，FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域；③精度提高，可达二阶精度。2.建立突扩管流场物理模型如图如图所示一圆形突扩管道，细管段管长为0.5m，半径为0.1m，粗管段管长为1.5m，半径为0.2m。细管来流水速为0.1m/s,出口为充分发展流。常温下水的密度为1000kg/m3,动力粘性μ=10-3kg/(m*s)根据分析可以简化为一个二维轴对称问题，由入口速度和特征长度可以计算出入口雷诺数20000001.02.0*1.0*1000ReUD流动为湍流。2.在gambit中建立网格模型和制定边界条件类型步骤1：文件的创建及其求解器的选择(1)启动GAMBIT软件(2)建立新文件。在id后输入“tukuoguan”作为文件名，点击run进入界面。(3)求解器在界面标题栏solver下选择FLUENT5/6。步骤2：创建控制区域(1)点击operation—geometry—volume，打开创建实型圆柱体的对话框。在高度文本框中输入0.5，半径1文本框中输入0.1，选择坐标轴为x轴正向，点击apply创建细管。同样的方法创建粗管。(2)打开move/copyvolume对话框，在volumes文本框中用鼠标左键+shift选中粗圆柱体，在global下面的x轴输入0.5，表示把粗圆柱体向x轴正向移动0.5m。点击apply。(3)打开布尔和，将两个举行合并到一起，不选retain，合并后的体即为突扩管道。步骤3：网格划分点击operation-mesh-volume，在volumes文本框中选择突扩管道实体。保持elements和type分别为Hex/Wedge和Cooper不变。选中intervalsize并在其前的文本框中输入0.01，点击apply。生成网格。Cooper网格划分图步骤4：边界条件类型指定打开specifyboundarytypes对话框，在action项下选中add，指定细管入口圆面为in，类型为VELOCITY_INLET，单击apply；指定粗圆管出口圆面为out，类型为OUTFLOW，单击apply。步骤5：mesh文件的输出点击file—export—mesh，在弹出的对话框中不勾选输出二维网格，单击accept生成“tukuoguan”的网格文件。3.利用FLUENT求解器求解步骤1：网格的相关操作(1)读入网格。启动单精度三维求解器，点击file—read—case，代开selectfile文本框，找到tukuoguan.msh文件，单击OK，读入网格。(2)检查网格文件。点击grid—check。(3)设置计算区域尺寸和单位定义。单击grid—scale。网格尺寸符合实际，点击close关闭对话框。步骤2：选择计算模型(1)基本求解器的定义。点击define—models—solve，打开基本求解器设置对话框保留所有默认设置，单击Ok。(2)湍流模型的选择。点击define—models—viscous，选择标准k-ε模型保持默认设置。步骤3：定义流体的物理性质(1)点击define—material，从FLUENT自带的数据库中调出水的物理参数。步骤4：操作环境的设置(2)顺次点击define—operationconditions，保持所有默认设置。步骤5：设置边界条件点击define—boundaryconditions。在zone列表中选择fluid，单击set图标，在materialname的下拉列表中选择water-liquid。单击Ok接受设置。在zone列表中选择in，单击set图标，在velocitymagnitude文本框中输入0.1，在specificationmethod下拉列表中选择intensityandhydraulicdiameter其中湍流强度输入5，水利直径输入0.2，单击OK。在zone下选择out，单击set图标，在弹出的对话框中单击ok保持默认设置。点击close关闭边界条件对话框。步骤6：求解方式的设置及其控制(1)求解控制参数的设置。顺次点击solve—controls—solution，保持默认设置。(2)打开残差图。顺次点击solve—monitor—residual，打开对话框，选择options下面的plot，残差标准改为1e-5，单击OK关闭对话框。(3)初始化。顺次点击solve—initialize—initialize，在computefrom下拉列表中选in，依次单击init，close图标。(4)保存当前case和date文件。顺次点击file—write—case&date。(5)开始迭代。点击solve—iterate，保存好设置，迭代1000步。迭代完成在此保存case和date文件。步骤7：建立辅助面及辅助线。(1)迭代完成后，单击FLUENT菜单中的surface，在下拉列表中选择plane，打开planesurface，在points下输入（1,0.2,0），（1，-0.2,0），（0,0,0）三个点建立名字为z=0的平面。(2)单击FLUENT菜单中的surface，在下拉列表中选择line/rakesurface，打开line/rankesurface，在endpoints下输入（0.7,0.2，0），（0.7，-0.2,0）两个点建立名字为x=0.7的线段，在endpoints下输入（2,0.2，0），（2，-0.2,0）两个点建立名字为x=2的线段。步骤8：后处理(1)单击display—contours，勾选options下的filled，在contoursof下拉列表分别选择pressure和velocity在surfaces下选择平面z=0可以得到压力速度云图。(2)单击display—vector，选择平面z=0可以都得到平面的速度矢量图。(3)打击plot—XYplot，在plotdirection下x输入0，y输入1，在Yaxisfunction下拉列表中选velocity，分别选择x=0.7，x=2可以得到过轴线的速度XY点线图。按照上述方法，分别在步骤二选择湍流模型中选择可实现K-ε模型和S-A单方程模型分别进行模拟。此外在gambit网格生成中选择TGrid的网格划分方式，在步骤二中选择标准K-ε模型，进行模拟。TGrid网格划分图4.模拟后处理及结果分析Cooper标准k-ε迭代收敛图Z=0剖面压力云图Z=0剖面速度云图Z=0剖面速度矢量图X=0.7m截面处过圆心速度点线图X=2m截面处过圆心速度点线图Cooper发展k-ε迭代收敛图Z=0剖面压力云图VelocityVectorsColoredByVelocityMagnitude(m/s)FLUENT6.3(3d,pbns,rke)Apr17,20151.05e-019.97e-029.45e-028.92e-028.40e-027.87e-027.35e-026.82e-026.30e-025.78e-025.25e-024.73e-024.20e-023.68e-023.15e-022.63e-022.10e-021.58e-021.05e-025.29e-034.27e-05ZYXZ=0剖面速度云图Z=0剖面速度矢量图ZYXVelocityMagnitudeFLUENT6.3(3d,pbns,rke)Apr17,2015Position(m)(m/s)MagnitudeVelocity0.20.150.10.050-0.05-0.1-0.15-0.21.20e-011.00e-018.00e-026.00e-024.00e-022.00e-020.00e+00x=0.7ZYXVelocityMagnitude_FLUENT6.3(3d,pbns,rke)Apr17,2015Position(m)(m/s)MagnitudeVelocity0.250.20.150.10.050-0.05-0.1-0.15-0.2-0.256.00e-025.00e-024.00e-023.00e-022.00e-021.00e-020.00e+00x=2X=0.7m截面处过圆心速度点线图X=2m截面处过圆心速度点线图CooperS-A迭代收敛图Z=0剖面压力云图Z=0剖面速度云图Z=0剖面速度矢量图X=0.7m截面处过圆心速度点线图X=2m截面处过圆心速度点线图Tgrid标准k-ε迭代收敛图Z=0剖面压力云图Z=0剖面速度云图Z=0剖面速度矢量图ZYXVelocityMagnitudeFLUENT6.3(3d,pbns,ske)Apr17,2015Position(m)(m/s)MagnitudeVelocity0.250.20.150.10.050-0.05-0.1-0.15-0.2-0.254.00e-023.50e-023.00e-022.50e-022.00e-021.50e-021.00e-025.00e-030.00e+00x=2X=0.7m截面处过圆心速度点线图X=2m截面处过圆心速度点线图在不同的设置下模拟结果都存在相同点，水在突扩管中流动管道中心区域流速最大，由于水的粘性和管壁附近摩擦力的存在速度向管壁呈递减