【FLUENT案例】01：T型管混合器中的流動與傳熱

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案例目錄

1 引子
1.1 案例描述
1.2 案例學習目標
2 計算仿真目標
3 啟動FLUENT並讀入網格
4 FLUENT工作界面
5 網格縮放及檢查
6 修改單位
7 設置模型
8 定義新材料
9 計算域設置
10 邊界條件設置
12 設置離散格式
13 Monitors
14 Initialization
15 Run Calculation
16 Results
16.1 計算監測圖形
16.2 Graphics
16.2.1 壁面溫度分布
16.2.2 創建截面
16.2.3 顯示截面物理量
16.2.4 Pathline顯示
16.3 Plots

1 引子

1.1 案例描述

本案例進行T型管中的流動模擬，流體以不同的溫度進入T形管，通過計算模擬混合過程。

1.2 案例學習目標

本案例主要描述FLUENT界面的使用，包括CFD的全部過程，包括：

讀取網格
選擇計算模型
選擇並設置材料屬性
定義邊界條件
設置計算監視器
運行求解器
后處理

2 計算仿真目標

仿真的對象為冷熱水在T型管內的混合過程
計算仿真的目的在於確定：

1.流體混合程度
2.混合過程的壓力降

3 啟動FLUENT並讀入網格

本案例利用workbench中的FLUENT模塊，也可以使用獨立版本的FLUENT進行。

1.啟動Workbench，利用菜單Files | Save as…保存新的文件mixing_tee
2.從左側的Component Systems列表中選擇拖拽Fluent至右側項目窗口中
3.右鍵選擇單元格Setup，選擇子菜單Import FLUENT Case | Browse
4.在打開的文件選擇對話框中，修改文件過濾選項為Fluent Mesh File
5.選擇網格文件Mixing_tee.msh，點擊OK按鈕確認選擇
如下圖所示。
6.返回至項目面板，鼠標雙擊Setup單元格啟動FLUENT，如下圖所示，可以根據自身計算機性能選擇串行或並行計算（如下圖所示采用並行4核計算）
7.點擊OK按鈕進入FLUENT工作環境

4 FLUENT工作界面

FLUENT17.0工作界面如圖所示。主要包括5個部分：

1.Ribbon菜單。里面包含了所有的操作按鈕
2.模型樹。包含了CFD仿真流程中所需的所有節點
3.參數設置面板。對應不同的模型樹節點所需的參數設置
4.圖形顯示窗口。
5.TUI及消息輸出窗口

5 網格縮放及檢查

在導入計算網格后，第一步要做的操作是檢查導入的網格有效性及網格質量。

選擇而模型樹節點General
在右側面板中點選按鈕Check，TUI窗口反饋信息如下圖所示。
注意：主要檢查兩個參數：一個是Domain Extents，查看計算域尺寸是否與實際尺寸相符，若不相符則需要對計算域進行縮放；另一個為mimimum volume，必須確保最小體積大於0
2.選擇面板中的Report Quality按鈕，查看網格質量。TUI命令窗口顯示網格質量如下圖所示。

給出了三種網格質量：Minimum Orthogonal Quality、Maximum Ortho Skew 及Maximum Aspect Ratio，其中Minimum Orthogonal Quality的范圍為0-1（1為理想網格），Maximum Ortho Skew的范圍為0-1（0為理想網格），Maximum Aspect Ratio越小越好。

6 修改單位

修改溫度的單位為攝氏度。點擊General設置面板中的Units…按鈕彈出單位設置面板。
如下圖所示，設置temperature的單位為c。

7 設置模型

這里激活能量方程及湍流模型。

雙擊模型樹節點Models > Energy，在彈出的Energy對話框中，勾選Energy Equation前方的復選框，激活能量方程，如下圖所示。點擊OK按鈕確認操作。
雙擊模型樹節點Models > Viscous(Laminar)，在彈出的對話框中選擇k-epsilon(2 eqn)，Realizable，其他參數保持默認，點擊OK按鈕確認操作。

8 定義新材料

FLUENT默認采用的材料為air，案例中流體介質為液態水。

右鍵點擊模型樹節點Material > Fluid，選擇彈出菜單New，如下圖所示。
在彈出的對話框中，選擇Fluent Database…，彈出材料庫對話框，在材料庫中選擇材料water-liquid(h2o ) ，點擊Copy按鈕，並點擊Close按鈕關閉對話框，如下圖所示。

點擊Close按鈕關閉材料新建對話框。

9 計算域設置

鼠標雙擊模型樹節點Cell zone Conditions > fluid(fluid)，彈出參數設置面板，在參數面板中設置Material Name為上一步創建的材料water-liquid，如下圖所示。
點擊OK按鈕關閉對話框。

10 邊界條件設置

在模型樹節點Boundary Conditions中可以設置計算模型的邊界條件。如圖所示。

界面元素與Cell Zone Conditions設置面板類似。
設置邊界條件：

inlet-y邊界設置
- 在Zone列表框中選擇邊界inlet-y，選擇Type下拉框選項Velocity-inlet，鼠標點擊面板按鈕Edit…
- 彈出參數設置對話框，如圖所示。在Momentum標簽頁下，設置Velocity Manitude參數值為0.3；選擇Specification Method為Intensity and Hydraulic Diameter，設置Tubulent Intensity為5，設置Hydraulic Diameter為0.15。
- 切換至Thermal面板，設置Temperature為15，如圖所示。
inlet-z邊界設置
- 與inlet-y設置相類似，所不同的是設置Velocity Manitude參數值為0.1；設置Hydraulic Diameter為0.1；設置Temperature為25
outlet邊界設置
- 選擇Type下拉框選項pressure-outlet，點擊Edit…按鈕
- 在彈出的對話框Momentum標簽頁下，設置Gauge Pressure為0，設置Specification Method為Intensity and Hydraulic Diameter，設置Backflow Turbulent Intensity為5，設置Backflow Hydraulic Diameter為0.15
- 切換至Thermal面板，設置Temperature為20。
  
  需要注意的是：在計算的過程中，有可能會出現介質從出口邊界進入流體域的情況（回流），這種情況有可能是真是的流動特征（在計算收斂時仍然存在回流），或者僅僅只是收斂過程中的短暫狀態（隨計算進行回流消失）。不管是何種情況，FLUENT需要知道邊界上的真實來流信息。若在出口位置沒有回流，則這些回流參數值在計算過程中不會被使用。在選擇計算邊界位置時，通常將出口位置選擇在沒有回流的地方。

12 設置離散格式

模型樹節點Solution Methods主要設置模型的離散算法。如圖所示。

選擇Pressure-Velocity Coupling scheme為Coupled
激活選項Pseudo Transient
激活選項Warped-Face Gradient Correction

離散格式定義了梯度及變量插值的計算方法。默認選項適用於大多數的計算問題。

13 Monitors

利用模型樹節點Monitors可以在計算過程中監測一些物理量的變化。本例設置監測兩個入口壓力值及出口溫度標准差。Monitors設置面板如下圖所示。

設置面板中的一些參數：

Residuals,Statistic and Force Monitors：監測殘差、統計值以及各種力
Surface Monitors：監測面上的各種參數值
Volume Monitors：監測體上的各種參數值
Covergence Monitors：收斂監測，通過前面的監測參數來判斷計算是否收斂

本例中監測三個面參數，利用Surface Monitors下方的Create按鈕進行創建。鼠標選擇此按鈕后，如下圖所示。

定義三個Monitors，步驟包括：

點擊Surface Monitors下的Create…按鈕
- Name：設置為p-inlet-y
- Plot Windws：設置為2
- Report Type：設置為Area-Weighted Average
- Field Variable：設置為Pressure及Static Pressure
- Surface：選擇inlet-y
點擊Surface Monitors下的Create…按鈕
- Name：設置為p-inlet-z
- Plot Windws：設置為3
- Report Type：設置為Area-Weighted Average
- Field Variable：設置為Pressure及Static Pressure
- Surface：選擇inlet-z
點擊Surface Monitors下的Create…按鈕
- Name：設置為t-dev-outlet
- Plot Windws：設置為4
- Report Type：設置為Standard Deviation
- Field Variable：設置為Temperature及Static Temperature
- Surface：選擇outlet

14 Initialization

利用模型樹節點Solution Initialization可對計算域進行初始化。FLUENT提供了兩種初始化方法：

Hybird Initialization：通過各種不同的插值方式獲得計算域中的初始值。如利用求解拉普拉斯方程的方式獲取初始速度場與壓力場
Standard Initialization：直接定義各未知物理量的初始值

本案例采用Hybird Initialization方式進行初始化，如上圖所示，選擇Initialize按鈕進行初始化。此時在圖形窗口中可能會出現如下圖所示的警告信息，不過這僅僅只是提示拉普拉斯方程沒有收斂，大可以忽略。

對於穩態計算，初始值不會影響最終計算結果，但是會影響收斂過程，嚴重偏離實際的初始值可能會導致計算收斂緩慢甚至發散。對於瞬態計算，初始值會影響到后續的計算結果。

15 Run Calculation

選擇模型樹節點Run Calculation，如圖所示。

設置Number of Iterations為350，點擊按鈕Calculate進行迭代計算。

16 Results

計算后處理。

16.1 計算監測圖形

殘差曲線
計算監測得到的殘差曲線如下圖所示。

圖中殘差曲線顯示計算在迭代120步左右達到收斂，表現為殘差曲線降低至設置的殘差標准以下，默認殘差標准為 $10^{- 3}$
入口壓力監測圖
兩個入口壓力監測圖如下圖所示。

（圖1）

（圖2）
從這兩幅壓力監測圖看出計算結果基本達到穩定，壓力值隨迭代變化很小。
出口溫度標准差變化圖
監測得到的出口溫度標准差曲線圖如下圖所示。

溫度標准差反映了溫度混合的均勻程度，該值越大表示溫度分布越不均勻。圖中最終的溫度標准差約為0.2。

16.2 Graphics

模型樹節點Graphics下包含了Mesh、Contours、Vectors、Pathlines以及Particle Tracks，如圖所示。在Graphics參數設置面板中還包含了Animations操作以及一些圖形顯示參數設置按鈕，如燈光、視圖等。

Mesh：顯示網格圖
Contours：顯示雲圖
Vectors：顯示矢量圖
Pathlines：顯示流線圖
Particle Tracks：顯示粒子追蹤圖

本案例主要利用Contours及Vectors顯示雲圖及矢量圖。

16.2.1 壁面溫度分布

查看壁面溫度雲圖顯示。鼠標雙擊Graphics列表框中的Contours列表項，在彈出的對話框中進行如下圖所示設置：

勾選激活Filled選項
在Contours of下拉框中選擇Temperature及Static Temperature
在Surfaces列表項中選擇wall-fluid
點擊按鈕Display

壁面上的溫度雲圖顯示如下圖所示。

16.2.2 創建截面

創建截面后可以顯示截面上的物理量分布。這里創建x截面。

利用Ribbon界面中的Postprocessing標簽頁
選擇Create按鈕下的Iso-Surface…功能菜單
如下圖所示。

在彈出的對話框中進行如圖所示設置：
選擇Surface of Constant為Mesh及X-Coordinate
設置Iso-Value為0
設置New Surface Name為x-0
點擊Create按鈕創建截面

16.2.3 顯示截面物理量

回到Contours設置面板，

設置Contours of為Velocity及Velocity Magnitude
選擇Surface為x-0
點擊按鈕Display

顯示速度雲圖如下圖所示。

設置Contours of為Temperature及Static Temperature，點擊Display按鈕。

顯示溫度雲圖如下圖所示。