計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

1、基于fluent的冷熱水交換器場內(nèi)流體數(shù)值模擬余珩（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院；動(dòng)力機(jī)械及工程1103；1049721102179）摘要：介紹了FLUENT 軟件的主要特點(diǎn)及其在冷熱水混合器內(nèi)的應(yīng)用情況。通過使用FLUENT軟件的標(biāo)準(zhǔn)k- 湍流模型對冷熱水混合器進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部流場變化情況。通過模擬，能真實(shí)反映混合器內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)，為混合器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：FLUENT；冷熱水混合器；數(shù)值模擬引言工程熱水恒溫混合器，是為適應(yīng)中央熱水工程向大型化、自動(dòng)化和人性化發(fā)展的技術(shù)要求而研發(fā)的，是為太陽能熱水工程和各種生活熱水供水系統(tǒng)專門配套的一種全自動(dòng)洗浴水恒溫控制設(shè)備。廣泛適

2、用于賓館、飯店、學(xué)校、醫(yī)院、廠礦、機(jī)關(guān)及洗浴中心、游泳池等大中小型生活熱水系統(tǒng)。由于混合器的廣泛應(yīng)用，混合器內(nèi)的各個(gè)流場也受到內(nèi)流研究者的廣泛關(guān)注。1 FLUENT 軟件簡介FLUENT 是美國FLUENT 公司開發(fā)的集流場、燃燒和熱、質(zhì)量傳輸以及化學(xué)反應(yīng)于一體的商業(yè)CFD軟件, 也是目前國內(nèi)外使用最多、最流行的商業(yè)軟件之一1。自其上市以來, 在全球眾多的CFD 軟件開發(fā)研究廠商中, FLUENT 軟件占有最大的市場份額。獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使FLUENT 在水利船舶、材料加工、燃料電池、航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、噪聲污染、核能與動(dòng)力等方2。面均有廣泛應(yīng)用。FLUENT 軟件的最大特點(diǎn)是具有專門幾何模型制作軟

3、件Gambit 模塊,并可以與CAD 連接使用,同時(shí)備有很多附加條件和附加方程添加接口，使用了目前較先進(jìn)的離散技術(shù)和計(jì)算精度控制技術(shù),如多層網(wǎng)格法、快速收斂準(zhǔn)則以及光滑殘差法等, 數(shù)學(xué)模型的離散化和軟件計(jì)算方法處理較為得當(dāng)。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),該軟件在模擬單相流動(dòng)或進(jìn)出口同向或反向流動(dòng)時(shí)，可以得到較好的模擬計(jì)算結(jié)果, 且具有一定的計(jì)算精度。FLUENT 軟件包主要具有常用的6 種湍流數(shù)學(xué)模型、輻射數(shù)學(xué)模型、化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)和傳遞流動(dòng)模型、污染物質(zhì)形成模型、相變模型、離散相模型、多相模型、流團(tuán)移動(dòng)模型、多孔介質(zhì)、多孔泵模型等。FLUENT 軟件的核心部分是納維斯托克斯(Navier-Stokes)方程組

4、的求解模塊。用壓力校正法作為低速不可壓流動(dòng)的計(jì)算方法,包括SIMPLE、SIMPLEC、PISO 三種算法，采用有限體積法離散方程, 其計(jì)算精度和穩(wěn)定性都要優(yōu)于傳統(tǒng)編程中使用的有限差分法。而對可壓縮流動(dòng)采用耦合法, 即將連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及能量方程聯(lián)立求解。FLUENT 軟件主要由前處理、求解器以及后處理3 大模塊組成。采用自行研發(fā)的GAMBIT 前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格, 然后由FLUENT 進(jìn)行求解。冷水和熱水分別自混合器的兩側(cè)沿水平切向方向流入，在容器內(nèi)混合后經(jīng)過下部漸縮通道流入等徑的出流管，最后流入大氣。是三維流動(dòng)問題，所研究的內(nèi)容是混合器內(nèi)的流場、壓力分布和溫度場。2使

5、用Gambit建立混合器計(jì)算模型計(jì)算網(wǎng)格生成是計(jì)算流體力學(xué)和其他數(shù)值模擬技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，是促進(jìn)CFD 工程使用化的一個(gè)重要因素。網(wǎng)格生成過程就是把一個(gè)給定的區(qū)域(或幾何體)分解成有限單元，以便使偏微分方程有較好的數(shù)值解。網(wǎng)格生成是連接幾何模型和數(shù)值算法的紐帶，幾何模型只有被劃分成一定標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格時(shí)才能對其進(jìn)行數(shù)值求解，網(wǎng)格劃分越細(xì)，得到的結(jié)果就越精確，但耗時(shí)就越多。由此可以看出，網(wǎng)格生成是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的第一步，有著極其重要的地位。本文研究了不同結(jié)構(gòu)混合器，以進(jìn)水口直徑不同時(shí)的模型為例來進(jìn)行模擬仿真。其進(jìn)、出口管徑分別為2、4 mm，混合器直徑為20 mm，高度為8 mm。利用GAMBIT

6、 建立混合器的幾何模型，利用TGrid 程序?qū)φw進(jìn)行網(wǎng)格劃分（采用四面體網(wǎng)格）。劃分好網(wǎng)格后，檢查網(wǎng)格的劃分情況。圖1 是以進(jìn)、出水口直徑為2mm 為例來說明網(wǎng)格劃分，直徑為4 mm 模型的劃分思路一樣。2.1啟動(dòng)GAMBIT并選定fluent5/6求解器。2.2創(chuàng)建混合器主體2.2.1 使用GEMETRY中VOLUME的Create Real Cylinder命令創(chuàng)建一個(gè)圓柱體，是混合器的主體部分。（1）在Height高度右側(cè)填入8；（2）在radius1右側(cè)填入10；（3）在AXIS Location中選擇positive Z（4）點(diǎn)擊Apply。2.2.2在同樣的面板中創(chuàng)建兩個(gè)圓柱體，

7、分別是熱水和冷水的切向入流管（1）在Height高度右側(cè)填入10；（2）在radius1右側(cè)填入1；（3）在AXIS Location中選擇positive X（4）點(diǎn)擊Apply。2.2.3使用GEOMETRY的VOLUME中的BOOLEAN OPERATIONS面板對圓柱體進(jìn)行合并的的布爾操作。2.2.4使用GEMETRY中VOLUME的Create Real Cylinder命令創(chuàng)建一個(gè)圓錐體，是混合器的流出口產(chǎn)生湍流的部分。（1）在Height高度右側(cè)填入5；（2）在radius1右側(cè)填入1；（3）在radius3右側(cè)填入10；（4）在AXIS Location中選Nagative Z

8、；（沿Z軸的反方向）（5）點(diǎn)擊Apply。2.2.5使用GEOMETRY的VOLUME中的BOOLEAN OPERATIONS面板創(chuàng)建流出小管，并下移到圓錐體的下部。（1）在Height高度右側(cè)填入5；（2）在radius1右側(cè)填入1；（3）在AXIS Location中選擇Nagative Z（4）點(diǎn)擊Apply。2.2.6使用GEOMETRY的VOLUME中的BOOLEAN OPERATIONS面板對將混合器上部、漸縮部分和下部流出小管合并為一個(gè)整體。2.3混合器內(nèi)區(qū)域網(wǎng)格劃分2.3.1使用MESH中的VOLUME面板的MESH VOLUMES命令劃分網(wǎng)格（1）選擇混合器的邊緣線，選擇混合

9、器主體；（2）在Spacing項(xiàng)，選擇Interval size 并填入0.5；（3）在Type項(xiàng)目中選擇TGrid；（4）點(diǎn)擊Apply。2.3.2使用EXAMINE MESH檢查網(wǎng)格劃分情況（1）在Display Type項(xiàng)中選擇Plane；（2）選擇3D Element及四面體（3)在Quality Type中選擇EquilAngle Skew；（4）在Out Orienation像中拖動(dòng)Z軸滑塊檢查Z平面的網(wǎng)格質(zhì)量。2.4設(shè)置邊界類型2.4.1在ZONE中的SPECIFY BOUNDARY TYPES面板中設(shè)置入流口（inlet-1）（1）設(shè)置入流口（inlet-1）邊界類型為VELO

10、CITY_INLET；（2）確定Action項(xiàng)為Add；（3）Name中輸入inlet-1；（4）選擇入流口（5）Apply。2.4.2重復(fù)上述步驟，設(shè)置另一個(gè)入流口（inlet-2）邊界類型2.4.3在ZONE中的SPECIFY BOUNDARY TYPES面板中設(shè)置出流口（Outlet）（1）邊界類型為PRESSURE_OUTLET；（2）Name中輸入pressure-outlet；（3）選擇混合器下部出流口斷面；（4）Apply。圖一：網(wǎng)格完成后的模型3利用FLUENT 3D求解器進(jìn)行求解使用控制方程與標(biāo)準(zhǔn)k- 湍流模型。本文主要分析冷水和熱水分別自混合器的兩側(cè)沿水平切線方向流入，在容

11、器內(nèi)混合后經(jīng)過下部漸縮管道流入等徑的出流管，最后流入大氣。圖二：Fluent中顯示的網(wǎng)格模型入口邊界：混合器入口速度可以認(rèn)為是均勻分布的，分析的流體是穩(wěn)態(tài)不可壓縮的水。冷水入口速度大小1 m/s，溫度280 K，熱水入口速度大小1 m/s，溫度320 K，冷熱水入水口的湍動(dòng)能k 和湍能耗散系數(shù) 分別按5%的湍流強(qiáng)度和2 mm 水力直徑計(jì)算確定。出口邊界：由于系統(tǒng)背壓的存在，對于流出區(qū)域，采用壓力形式邊界。壓力邊界值設(shè)置為P=1.3×105 Pa，即表壓設(shè)為0 Pa。壁面條件：固體壁面上采用無滑移條件。4 計(jì)算結(jié)果與分析采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、分離隱式求解器進(jìn)行模擬。進(jìn)口條件湍流模型k 和

12、的指定采用湍流強(qiáng)度與水力直徑。在求解中分別選用標(biāo)準(zhǔn)k- 模型,模擬計(jì)算三維冷熱水混合器內(nèi)部液體流動(dòng)狀況。結(jié)果顯示，入水口半徑為1 mm 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)k- 湍流模型在158 次迭代時(shí)達(dá)到收斂,當(dāng)入水口半徑增大到2 mm 時(shí)，模型在迭代108 次時(shí)就達(dá)到收斂。在迭代過程中打開監(jiān)視器進(jìn)行迭代，如圖三所示。圖三：迭代時(shí)常差圖圖四：Z平面上的溫度分布圖圖五：壁面的溫度分布4.1溫度分布圖的比較圖四 和圖五 分別是入Z平面上和壁面上的溫度分布圖,通過比較可看出，當(dāng)入流口直徑較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入混合器內(nèi)流體質(zhì)量較多，混合器內(nèi)同一位置溫度梯度小，但是最終都趨于同一溫度300 K。圖六：X平面壓力分布圖圖七：Z平

13、面的速度矢量圖圖八：X平面的速度矢量圖九：流體質(zhì)點(diǎn)軌跡4.2速度矢量圖的比較圖八和圖九分別是X平面和流體質(zhì)點(diǎn)的速度矢量圖，經(jīng)分析可得，流體以1 m/s 流進(jìn)混合器，隨著入水口的增大，進(jìn)入混合器的流體速度也增大，當(dāng)r =2 時(shí)，流體混合較充分。圖10 和圖11 分別是x=0 平面上的速度矢量圖及速度矢量局部放大圖。從圖九中可以很明顯的看到水流在混合器的壁面產(chǎn)生漩渦，渦量是流體產(chǎn)生回流的量度。入口處，流量大而入口截面積小容易導(dǎo)致回流，漩渦一方面造成水流的局部壓力損失；一方面造成混合器內(nèi)流體流動(dòng)分布的不均勻。當(dāng)入水口半徑增大時(shí)，漩渦現(xiàn)象明顯減小，減少了水流混合時(shí)的能量消耗，有利于冷熱水的充分混合。中

14、心線上的壓強(qiáng)分布。圖十：沿Z軸的壓強(qiáng)分布圖4.3壓強(qiáng)比較Z軸上的壓強(qiáng)分布圖，當(dāng)z=08 mm 時(shí)，壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定值，由于入水口半徑為1 mm 的混合器內(nèi)存在漩渦，造成壓力損失，直線有稍微波動(dòng)；當(dāng)z=0-5 mm 時(shí)，流體經(jīng)混合器流經(jīng)下部圓錐容器內(nèi)，此時(shí)壓力急劇下降，當(dāng)z=-5-10 mm 時(shí)，流體從錐型容器經(jīng)出水口流出，因?yàn)榱黧w進(jìn)入半徑較小的出水管，由于渦旋的存在導(dǎo)致流體的壓力繼續(xù)減小，直到流出時(shí)壓力為零。5 結(jié)論(1) 本文介紹了作為主流CFD 軟件FLUENT 的主要特點(diǎn)，舉例說明了FLUENT 軟件在冷熱水混合器中的應(yīng)用。采用FLUENT 中的標(biāo)準(zhǔn)k- 湍流模型進(jìn)行計(jì)算, 對液體分布器內(nèi)部

15、流場進(jìn)行了分析, 能捕捉到混合器內(nèi)部流場的許多規(guī)律性的東西，準(zhǔn)確反映混合器內(nèi)部溫度、速度流場,對混合器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)有很好的指導(dǎo)作用。(2)對不同直徑進(jìn)水口的混合器模擬結(jié)果表明，入流口直徑的大小對混合器的內(nèi)部流場有一定影響。增大入流口直徑可以緩解渦旋現(xiàn)象，減小流體內(nèi)速度分布的不均勻性。(3) CFD 可以很容易實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)的流動(dòng)計(jì)算，并提供大量詳細(xì)的流動(dòng)信息，省時(shí)省力，具有試驗(yàn)研究無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)果具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義6。參考文獻(xiàn)：1 ANSYS Inc. FLUENT 612 UDF manual M South2pointe , USA:Fluent Inc.,2005.2 馬藝, 金有海, 王振波.FLUENT 軟件在液-液旋流