分離器數(shù)值模擬fluent

1、7.數(shù)值模擬與結(jié)果分析7.1 數(shù)值計算方法簡介計算流體力學(xué)作為流體力學(xué)研究中的一門新興分支，正在工業(yè)和科研領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮越來越重要的作用。將CFDT具運用到分離機械的研究中，也成為工程技術(shù)人員改進設(shè)計、提高效 率的有效手段，是 CFDZ用的前沿。一些成熟的算法，模型也以商業(yè)軟件的形式出現(xiàn)在工程 及科研領(lǐng)域。相比研究單位自行開發(fā)的計算程序，商業(yè)計算軟件一般具有以下特點：通用性廣。由于商業(yè)軟件面向的用戶對象廣泛，處理的實際問題多種多樣，因此其覆蓋的應(yīng)用范圍要盡可能廣。 計算穩(wěn)定性好。多數(shù)軟件經(jīng)過不同研究領(lǐng)域內(nèi)的算例測試，對不同類型的問題具有較好的適應(yīng)能力。 使用方便，商業(yè)軟件經(jīng)過不同友好的用戶界面，方

2、便用戶的使用。 一般商業(yè)軟件也存在一些明顯的不足，例如：算法相對陳舊，不能緊跟CF研究領(lǐng)域內(nèi)的最新成果；與不同行業(yè)內(nèi)的實際要求存在一定的距離，難以將各研究單位已有的研究成果結(jié)合到商業(yè)軟件中。這在一定程度上限制了商業(yè)軟件在工程實際中的應(yīng)用。FLUEN是由美國FLUEN公司于1983推出的CF菜件。它是繼 PHOENICS件之后的第二個投放市場的基于有限體積法的軟件。FLUENT1目前功能最全面、 適用性最廣、國內(nèi)使用最廣泛的CF瞅件之一。本文運用fluent軟件對離心式分離器的內(nèi)流場進行分析計算，fluent公司是享譽世界的最大計算流體力學(xué)軟件供應(yīng)商，fluent軟件能夠精確地模擬無粘流、層流、

3、湍流、化學(xué)反應(yīng)、多相流等復(fù)雜的流動現(xiàn)象。應(yīng)用領(lǐng)域包括：航空航天、汽車設(shè)計、生物醫(yī)藥、化學(xué)處理、石油天然氣、發(fā)電系統(tǒng)電子半導(dǎo)體、渦輪設(shè)計、HVAC玻璃加工等。FLUENT具有精度高，收斂快，穩(wěn)定性好等特點。Gambit是前置處理器，能針對及其復(fù)雜的幾何外形生成三維四面體，六面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及混合網(wǎng)格。該模塊還具有方便的網(wǎng)絡(luò)檢查功能，對網(wǎng)絡(luò)單元體積、扭曲率、長細比等影響收斂和穩(wěn)定的參數(shù)進行統(tǒng)計并生成報告。7.2 計算流體力學(xué)基礎(chǔ)在流體力學(xué)的研究中，常用的方法有理論研究方法、數(shù)值計算方法和實驗研 究方法。理論研究方法的特點是：能夠清晰、普遍地揭示出流動的內(nèi)在規(guī)律，但該方法目前只局限于少數(shù)比較簡單的

4、理論模型，而且需要研究者具有較高的理論素養(yǎng)和數(shù)學(xué)功底。實驗研究方法的特點就是結(jié)果可靠，但其局限性在于相似準(zhǔn)則不能全部滿足、 尺寸限制、邊界影響等，同時，實驗研究需要場地、儀器設(shè)備和大量的經(jīng)費，研究周 期也比較長。數(shù)值計算方法所需要的時間和費用都較少，并且具有較高的精度，目前 在流體力學(xué)的研究中扮演著越來越重要的角色。數(shù)值計算方法要求對問題的物理特性 有足夠的了解，并能建立較精確的描述方程組。計算流體力學(xué)的求解過程大致可以分成下列若干步驟：(1)建立基本守恒方程組數(shù)值模擬的第一步是由流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、燃燒學(xué)及熱等離子的基本原理出發(fā)，建立質(zhì)量、動量、能量、組分、湍流特性的守恒方程組，

5、如連續(xù)方程、動量方程、 組分方程、湍能方程等。對湍流、多相流等，由不同的模擬理論出發(fā)，往往基本守恒方程 組也不相同，因此，如何構(gòu)造基本方程組，也是模擬理論的重要部分。FLUENT中所采用的都是比較成熟的模擬理論和數(shù)值模型。(2)建立或選擇模型或封閉方法建立的基本方程往往是不封閉的，特別是湍流、甚至多相流、化學(xué)反應(yīng)流更是如此。例如，動量方程中的脈動速度關(guān)聯(lián)項(雷諾應(yīng)力項)，能量方程中的湍流導(dǎo)熱項及輻射項，擴散方程中的擴散項及湍流反應(yīng)項等都是未知的。解決這一問題，使方程組封閉，就是模 擬理論的關(guān)鍵問題。 FLUENT中已經(jīng)預(yù)設(shè)了許多的物理模型，如湍流模型、兩相流模型、 湍流反應(yīng)模型、輻射換熱模型、

6、污染物生成模型等。用戶可以根據(jù)具體問題選擇不同的模 型，也可以自己通過實驗事實或物理概念的基本假設(shè)來構(gòu)造各個過程的模型。(3)確定初始與邊界條件數(shù)值模擬的第三步是必須按給定的幾何形狀和尺寸，由問題的物理特征出發(fā)，確定計算域并給定計算域的進出口，軸線(或?qū)ΨQ面)及各壁面或自由面處條件。對湍流和多相流動還需要分別給出各相的各變量的時均值及脈動值的各初始條件與邊界條件。正確給定邊界條件是十分重要的。邊界條件是否合理往往也是數(shù)值模擬成敗的關(guān)鍵問題之一，初始條件是所研究對象在過程開始時候各個求解變量的空間分布情況。對于瞬態(tài)的非定常問題必須給定初始條件。對于定常問題，不需要初始條件。(4)劃分計算網(wǎng)格采用

7、數(shù)值方法求解控制方程時，都是想辦法將控制方程在空間區(qū)域上進行離散，然后求解得到離散方程組，其本質(zhì)就是把連續(xù)的空間變量用離散的網(wǎng)格點上的變量來近似,要想在空間區(qū)域上離散控續(xù)的控制方程在離散后就成為所有網(wǎng)格點上變量非線性方程組。制方程組，必須使用網(wǎng)格。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出多種對各種區(qū)域進行離散以生成網(wǎng)格的方法， 網(wǎng)格生成技術(shù)也成為 CFD領(lǐng)域的一個獨特分支?？梢哉f，網(wǎng)格生成占據(jù)了整個CFD任務(wù)的70%以上的工作量。(5)建立離散化方程用數(shù)值方法求解偏微分方程組，必須將該方程組離散化，即把計算域內(nèi)有限數(shù)量位置 (網(wǎng)格節(jié)點或網(wǎng)格控制體中心點)上的因變量作為基本未知量來處理，從而建立一系列關(guān)于這組未知量的代數(shù)

8、方程組，然后通過求解代數(shù)方程組來得到這些節(jié)點上的值。對于所引入的因變量在節(jié)點之間的分布，假設(shè)及推導(dǎo)離散化方程的方法不同，形成了有限差分法，有限容積法，有限元法，或有限分析法等不同類型的離散化方法。FLUENT使用的是有限容積法。在同一種離散化方法中，例如有限體積法，對方程中對流項所采用 的離散格式不同，也將導(dǎo)致不同形式的離散方程，這種離散格式通常稱為空間差分格式， FLUENT提供了多種離散格式供選擇，如中心差分、一階迎風(fēng)格式、二階迎風(fēng)格式、QUICK格式三階MUCSL格式等，還有為可壓縮流動中激波等間斷捕捉設(shè)計的Roe格式，AUSM類格式等。對于非定常問題還有涉及時間上的差分，F(xiàn)LUENT提

9、供了隱式、顯式的一階和二階的時間差分格式。(6)制定求解方法對離散完成的差分方程組已經(jīng)有各種不同的求解方法。例如渦量一流函數(shù)算法、基于壓力的壓力一速度修正算法(SIMPLE系列算法)，基于密度的耦合隱式或顯式時間推進 求解算法，矢通量分裂方法和通量差分分裂方法等。針對代數(shù)方程組的求解有三角矩陣法(追趕法)、逐線迭代、松弛高斯賽德爾迭代方法等。針對兩相流和有反應(yīng)的流動又有一些更專門的解法，如顆粒與流線的耦合PISC法，加速化學(xué)反應(yīng)計算而設(shè)計的ISAT算法等。FLUENT已經(jīng)在求解器內(nèi)設(shè)計了目前多數(shù)已經(jīng)成熟的求解方法供用戶選擇，對算法及相應(yīng)參數(shù)意義的詳細了解有助于我們正確的使用FLUENT來設(shè)置所

10、需的各種松弛因子、算法參數(shù)，提高計算效率。(7)除了上述基本解法以外，還要針對具體問題的特點，研究一些計算方法的細節(jié) 或稱計算技巧。例如對于合理而經(jīng)濟的網(wǎng)格劃分與安排，有時要選擇隨機過程的空間或時間而變化的網(wǎng)格系，以便不抹掉物理特征而又經(jīng)濟。又如對不規(guī)則形狀邊界的處理，松弛系數(shù)的選擇。對多相流動還要討論兩相間迭代以及反應(yīng)和流動間迭代的最佳步驟，顆粒相的校正、軌道積分方法等。 FLUENT中也涵蓋了最新成熟的各種計算技巧。(8)編寫和調(diào)試計算程序如果是自己開發(fā) CFD軟件，這一步就是要從所選擇的算法出發(fā)，編制主程序及各個子程序，使之具有通用性和靈活性，便于應(yīng)用和作必要的改動。然后通過調(diào)試消除程序

11、編制中的各種錯誤，使程序能正常運行，給出收斂而且初步合理的結(jié)果。最后發(fā)布程序。而且FLUENT還提供了用戶接口 UFD函數(shù)，方便用戶調(diào)用，這樣使軟件更加靈活和通用。我們在編寫UFD用戶程序的時候也需要進行調(diào)試，以獲得正確的結(jié)果。(9)數(shù)值模擬結(jié)果與實驗的對比在對各種工況進行大量的模擬計算后，如果判斷解收斂，就可以得到一批可用的變量場預(yù)報結(jié)果。這里判斷解的收斂性是一個經(jīng)驗性很強的問題。常用的判斷方法就是判定殘差小于我們設(shè)定的某個小量，在實際應(yīng)用中，經(jīng)常要配合以總的質(zhì)量流量、某點的物理量變化或某個截面通量物理量的變化、物體所受的力或者力矩的變化等來綜合判斷，而且有時是所監(jiān)控的物理量不再變化，有時是

12、所監(jiān)控的物理量呈周期性變化時，就認為解收斂了。如果解不收斂甚至發(fā)散，就需要調(diào)整松弛因子，降低松弛因子，降低差分格式，選擇更簡單的模型，甚至重新回到 GAMBIT中劃分網(wǎng)格以提高網(wǎng)格質(zhì)量，再重新開始計算。總之， 必須獲得收斂的數(shù)值模擬結(jié)果。必須將這些模擬預(yù)報結(jié)果和變量場的測量結(jié)果進行對照，或者依據(jù)一些理論結(jié)果，定性且定量地評價模擬結(jié)果或模擬理論及方法的優(yōu)缺點及可靠性，方便我們選擇更合適的模擬理論及方法。例如，在 FLUENT中選擇更合適的湍流模型、燃燒模型或選擇更精確的 高階格式等。FLUENT中提供了多種手段將預(yù)測的物理量場的結(jié)果顯示出來，包括線值圖、矢量圖、等值線圖、流線圖等多種方式。FLU

13、ENT可以模擬各種涉及離散相的問題，諸如：顆粒分離與分級、噴霧干燥、氣溶膠 擴散過程、液體中氣泡的攪渾、液體燃料的燃燒以及煤粉燃燒。7.3 選擇模擬模型7.3.1 國內(nèi)外模擬分離器的研究Boyson等首先用CFW術(shù)手段采用將k - e模型和代數(shù)應(yīng)力方程相結(jié)合的具有湍動各項 異性的代數(shù)應(yīng)力方程模型( Algebraic Stress Method,簡稱ASM對旋流器進行了二維的K - £模型分別對旋流器進行的 CFD模擬研究。Meier等提出了將k - e模型與標(biāo)準(zhǔn)Prandtl 混合模型結(jié)合的各相異性模型，有限體積法（ Finite Volume Method ,簡稱FVM將新的模

14、型與各相同性的k- e模型比較發(fā)現(xiàn)，各相同性的模型在模擬旋流器內(nèi)部流動時是失敗的， 而各相異性模型模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)非常吻合。J.Hoekstra等分別采用k - £模型、RN0 - £模型和雷諾盈利模型以及激光多普勒測計 測量對旋流器進行了實驗和 CFD莫擬研究，通過與測定速度對照評定了預(yù)測旋流器中強渦旋 流動的3種湍流模型的表現(xiàn)，CF頻報數(shù)值與LDW驗數(shù)據(jù)對照顯示，以渦旋黏度方法為基礎(chǔ) 的湍流模型在預(yù)測實驗觀察到的合成渦旋時是失敗的，標(biāo)準(zhǔn)k- e模型、RNG- £模型預(yù)測的軸向速度和切向速度分布是不真實的，不適用于旋流分離的流場，而雷諾應(yīng)力輸運模型 RSTMJ

15、預(yù)測與所有3個渦旋量的測定輪廓趨勢非常吻合，盡管正常湍流應(yīng)力比預(yù)測的高，還 有些差異需要進一步改進。F.M.Erdal采用商業(yè)CFX件，分別用標(biāo)準(zhǔn)k - £模型和RSMI型對GLC（內(nèi)部重相氣一液旋 流場進行了 CF前究，并與LDW驗測量結(jié)果進行了對照，模擬顯示在旋流器內(nèi)最高的切向速 度在進口處，且這一較高的切向速度隧軸向和徑向衰減，軸向速度顯示2個區(qū)域：中心附近向上流動的區(qū)域和壁面附近向下流動的區(qū)域，模擬結(jié)果與LDW驗測量的速度分布趨勢非常相似，而且與實驗測量結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)：校準(zhǔn)k-e模型模擬的切向速度結(jié)果比實際測量的高，它描述了一個較高的旋轉(zhuǎn)流動，而RSMI型模擬的切向速度Z果比測

16、量的低，L.E.Gomez在顆粒軌跡分布進行了數(shù)值模擬計算，并預(yù)測了GLC沖氣泡夾帶和操作性能情況。7.3.2 模型的選擇本次所設(shè)計的旋風(fēng)分離器是用來從氣相中分離液相，而液相的體積分數(shù)只占到了 1%故此，離散相模型比較適合。在FLUENT中的離散相模型假定第二相（分散相）非常稀薄，因而顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數(shù)對連續(xù)相的影響均未加以考慮。這種假定意味 著分散相的體積分數(shù)必然很低，一般說來要小于10-12%。但顆粒質(zhì)量承載率可以大于 10-12%,即用戶可以模擬分散相質(zhì)量流率等/大于連續(xù)相的流動。并且，隨機軌道模型或顆粒群模型可考慮顆粒湍流擴散的影響。在隨機軌道模型中，通過應(yīng)用隨機方

17、法來考慮瞬時湍流速度對 顆粒軌道的影響。而顆粒群模型則是跟蹤由統(tǒng)計平均決定的一個“平均”軌道。顆粒群中的 顆粒濃度分布假設(shè)服從高斯概率分布函數(shù)（PDH。兩種模型中，顆粒對連續(xù)相湍流的生成與耗散均沒有直接影響。穩(wěn)態(tài)拉氏離散相模型適用于具有確切定義的入口與出口邊界條件問 題，不適用于模擬在連續(xù)相中無限期懸浮的顆粒流問題，這類問題經(jīng)常出現(xiàn)在處理封閉體系中的懸浮顆粒過程中，包括：攪拌釜、混合器、流化床。但是，非穩(wěn)態(tài)顆粒離散相模型可以處理此類問題。7.3.3 離散相模型的求解過程概述在FLUENT模型中，你可以通過定義顆粒的初始位置、速度、尺寸以及每個（種）顆粒 的溫度來使用此模型。依據(jù)對顆粒物理屬性的

18、定義而確定的顆粒初始條件可以用初始化顆粒 的軌道和傳熱/質(zhì)計算。當(dāng)顆粒穿過流體運動時，顆粒的軌道以及傳熱量、傳質(zhì)量可通過當(dāng) 地流體作用于顆粒上的各種平衡作用力、對流/輻射引起的熱量/質(zhì)量傳遞來進行計算?？赏ㄟ^圖形化界面或文本界面輸出計算出的顆粒軌道以及相應(yīng)的傳熱/質(zhì)量。既可以通過在一個固定的流場中 （非耦合方法）來預(yù)測離散相的分布， 也可以在考慮離 散相對連續(xù)相有影響的流場（相間耦合方法）中考察顆粒的分布。 相間耦合計算中，離散相的存在影響了連續(xù)相的流場， 而連續(xù)相的流場反過來又影響了離散相的分布。 可以交替計算 連續(xù)相和離散相直到兩相的計算結(jié)果都達到收斂標(biāo)準(zhǔn)。1.穩(wěn)態(tài)問題的求解步驟穩(wěn)態(tài)離散相

19、問題的設(shè)定、求解的一般過程如下：求解連續(xù)相流場；創(chuàng)建離散相噴射源（射流源）； 求解耦合流動（如果希望計算的話）； 用PLOT或REPORT®形界面來跟蹤離散相。2.非穩(wěn)態(tài)問題的求解步驟創(chuàng)建離散相噴射入口；初始化流場； 設(shè)定求解的時間步長和時間步數(shù)。在每個時間步，顆粒的位置將得到更新。如果 求解問題是非耦合流動， 那么，顆粒的位置在每個時間步計算完成之后得到更新的；如果是耦合流動，那么，顆粒的位置在每個時間步內(nèi)的相間耦合迭代計算過程中都會得到更新。7.4控制方程對于所有的流動問題，F(xiàn)LUEN需要求解質(zhì)量和動量守恒方程。對于熱傳導(dǎo)或可壓縮流動， 需要解能量守恒的附加方程。 對于包括組分混

20、合和反應(yīng)的流動， 需要解組分守恒方程或者使 用PDF莫型來解混合分數(shù)的守恒方程。當(dāng)流動是湍流時，還要解附加的輸運方程。7.4.1 基本方程流體相連續(xù)方程(7-10)3 (：Uz) =0；z(7-1)u 和r ,OUrP Ur+U日n r n_£ f/51 ；：2Urr2 r2rur(7-2)r2 Fz25斗消”-rUr2r |r- r2 汨22分fz22I I ,r2汨(7-3)fUzUr ：:r一空+山zz.1 d ( cuz1.2二 uzr ；:r1Uz-2-:z(7-4)MeM f-(;?rUr)- r ；:rr .f流體相動量方程7.4.2 顆粒相動量方程(7-5)dUpmp

21、 丁二 Fd mpg -Vpv p dt計入氣流脈動造成的顆粒湍流擴散，得到顆粒運動方程d2z dt2、1 ：p=B(UgrU gzUpz);p z(7-6)d 2r dt21 ；：p= B(Ugr U gzUpz) g-r p -rddT ,(7-7)dt2B,、(Ugr UgzUpz) r_J_2p 2dl 蟲.r2 Pp v r dt dt p(7-8)其中:18g f(Rep)(7-9)'2'2'2 fUgr =Ug=Ugz 時，,2 '2 ,K = Ugr如果隨機速度分布滿足 GaUSsian PDF統(tǒng)計分布規(guī)律,3 g氣體脈動速度的隨機取樣為ugr_

22、 1Igr，,Ug12>g T1 ,，ugz1=Ugz 1 =0,1,2,)7.4.3 雷諾應(yīng)力模型基本的雷諾應(yīng)力微分模型(RSM)即線性的RSMI型，壓力應(yīng)變項的模擬采用線性代數(shù)式,耗散項用標(biāo)量耗散率。本文采用的RSM模型為Spezial-Sarka-Gatski 的SSG-模型。SSGI型如下： L1 L C. _'C . _*_/_ /八(PUiUj) + (PUiUj) = Dij +Pj +riij 斯(7 -11):tcxk方程中Dj、Pj、riij、固分別為擴散相、產(chǎn)生相、壓力應(yīng)變項和耗散項，分別表示如下:PijDjFU FU、 =UiUk u jUk ) :xk:

23、 xk(7.12)(7-13)1、Hij-C1 二。；(二 ik，-3，。、刃)。女與C4k(： ikSjk : jkSik). C5 ： kl： kl、j ajkWik3(7-14)(7-15)壓力應(yīng)變項包括了雷諾應(yīng)力的各向異性張量的二次方項，式中：C1 =3.4 1.8Pkk/ ；;C2 =4.2;41/2C3 -1.3II-.;5-C4 =1.35;C5 =0.4;otUiUj2k- 3,jn =a ot1 1 : ij ij(7-16)(7-17)(7-18)(7-19)(7 - 20)(7-21)(7 - 22)fU j-j)xiW1二2味：Uj)-xi(7 - 23)SSGI型中壓

24、力應(yīng)變項的系數(shù)依賴于雷t若應(yīng)力的變化和湍能的產(chǎn)生,而雷諾應(yīng)力的變化和湍能產(chǎn)生又與壁面作用密切相關(guān)，因此SSGI型體現(xiàn)了壁面效應(yīng)對雷諾應(yīng)力分布的影響。 耗散過程主要發(fā)生在小尺度渦區(qū)。較長時間以來人們一直認為在高雷諾數(shù)下，小尺度渦團結(jié)構(gòu)趨于各向同性，因而可以忽略各向異性的耗散，即認為湍流的切應(yīng)力耗散趨于零，而粘性 作用只引起湍流正應(yīng)力即湍能的耗散。這樣耗散張量£ j就可以化為標(biāo)量形式，即：有=2：；, ij(7 - 24)目前最為廣泛采用的e模型為：三一(：")一(土二).C南 衛(wèi)-C24(7 - 25)t：xk：xk ； xk ；xjk式中右端分別為擴散項、產(chǎn)生相、耗散項。式

25、中的系數(shù)為：C 1 -1.44,0 2 -1.92,0 3 =-1,C；.=1.33(7 - 26)與雙方程k- £模型比較，雷諾應(yīng)力方程湍能的模擬不需要任何輸運方程求解，而是通過雷諾應(yīng)力得到：k = 1/ 2叫由(7-27)7.5 Pro/E 建模由于本文主要研究的是新設(shè)計的氣液分離器內(nèi)部流場和分離效率，所以可以將模型簡化。并且還將研究不同的分離器結(jié)構(gòu)對分離器的影響，故此，需要建立三個模型。第一個是設(shè)計的模型，第二個是矩形切向入口的分離器模型，第三個是溢流管長度 L=0.7m的分離器模型。用proe建立三維圖，畫出氣液分離器流動的空間，氣液分離器的流動空間三維圖 如下：圖7-1分離

26、器三維圖將三維圖保存為stp格式輸出，以便導(dǎo)入到 Gambit中進行網(wǎng)格劃分。7.6 Gambit劃分網(wǎng)格7.6.1 導(dǎo)入stp格式7.6.2 劃分網(wǎng)格依次點擊Meshi-volumes打開Mesh Volumes控制面板。采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格和結(jié)構(gòu) 化的六面體網(wǎng)格相Z合的混合網(wǎng)格Tgrid劃分方式，以適應(yīng)氣液分離器的葉片、內(nèi)腔等等部件的復(fù)雜形狀，并設(shè)置interval size =30,（之所以選擇30是因為通過多次嘗試，這個尺寸得出的網(wǎng)格質(zhì)量能滿足模擬要求，并且得到的網(wǎng)格數(shù)量合適，計算速度較快）。7.6.3 網(wǎng)格質(zhì)量檢查點擊右下角 Q EXAMINE MESH選擇 Display Typ

27、e 為Range, 3D Element點選前三個類型，其他保持默認，點擊Apply ,設(shè)置如圖3-7所示。檢查結(jié)果：網(wǎng)格總數(shù)： 647651 ,其中網(wǎng)格質(zhì)量比較差的，也就是 EquiAngle Skew>0.9的有36個，占網(wǎng)格總數(shù)的0.02%,網(wǎng)格質(zhì)量還比較好7.6.4 邊界條件類型設(shè)定(1)設(shè)置面的邊界類型選才O Operation展一Zones我打開Specify Boundary Types 對話框，進行邊界條件類型的設(shè)定。分別設(shè)置如下：設(shè)置氣液分離器的混合相入口：Name inlet Type : VELOCICITY_INLET設(shè)置氣液分離器的氣相出口：Name oulte

28、t Type : OUTFLOW設(shè)置分離器的墻：Name trapwall Type : wall7.6.5 輸出網(wǎng)格依次點擊 File 一 Export Mesh,打開輸出對話框，使 Export 2-D (X-Y) Mesh為非選 中狀態(tài)，如圖 3-10,點擊 Accept ,輸出mesh文件。7.7 FLUENT模擬計算操作步驟7.7.1 文件導(dǎo)入及網(wǎng)格操作打開FLUENT在“ FLUENT Version”選項中選擇“ 3d”，點擊 Run。打開網(wǎng)格文件操作：File ReacRCase,讀入default_id160.msh 文件。檢查網(wǎng)格：點擊 Grid Check, FLUENT

29、#面顯示如下圖12：顯示網(wǎng)格最小體積不為負，說明網(wǎng)格沒有問題，可以用于計算。設(shè)置計算區(qū)域尺寸：點擊Grid Scale在 Grid Was Created In選項后選中 mm 點擊 Scale。并點擊 Change Length Units ,改變默認尺寸為 mm光順網(wǎng)格：點擊Grid 一Smooth/Swap Grid ,出現(xiàn)下面控制面板。依次點擊Smooth、Swap, 直至ij Number Swapped下面對應(yīng)的值為 0,如圖4-2所示。因為網(wǎng)格中有些單元的 EquiAngle Skew>0.9,通過光順網(wǎng)格可以提高網(wǎng)格的質(zhì)量。7.7.2 選擇計算模型 定義求解器：點擊 De

30、fine Model soker ,以默認設(shè)置，Pressure Based求解器、 Implicit 算法、3D空間、Steady流動，如圖4-4所示。點擊OK 選擇湍流模型：順次點擊 De巾ne 一 Models Viscous ,打開Viscous Model對話框,點選 Reynolds Stress , Linear Pressure-Strain 模型。大量的研究資料證明，ReynoldsStress有較好的適應(yīng)性。其它的為默認，點擊OK 選擇離散相模型：順次點擊Define f ModelsfDiscrete Phase Model, 設(shè)置 Max,Number of Steps

31、 為 50000,然后點擊 injections，進行設(shè)置，選擇 injectionstype :surface ;release from surface : inlet ; particles type : inert ； Diameter distribution : uniform；point properties : x-velocity=-5.07834, y-velocity=0 , z-velocity=-8.616292;turbulent Dispersion : Discrete Random Walk Model 。7.7.3 定義流體的物理性質(zhì)順次點擊Define f

32、Material 打開材料屬性對話框，選擇 water-liquid ，點擊Copy, 從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出水的物理參數(shù)，然后定義inert particles ,從fluent Database 中選取water-liquid ，點擊copy ,返回上層對話框，點擊復(fù)制。再點擊Close關(guān)閉對話框。設(shè)置好了 materials ,然后將 inert particles中的材料選成 water-liquid 。7.7.4 定義操作環(huán)境打開操作環(huán) 境控制 面板，Operating Pressure : 101325 , Reference Pressure Location:x=0,y=0,z=0 ;

33、 Gravitational Acceleration :x=0, y=-9.81 , z=0。7.7.5 設(shè)置邊界條件 入口邊界條件，設(shè) Velocity Magnitude =10; DPM3的 BoundaryCond.Type 設(shè)為escape類型，其他的選項默認。出口邊界條件默認 Fluid選air材料 Trapwall邊界條件，設(shè)置 DPM3的BoundaryCond.Type設(shè)為trap類型的邊界條件。7.7.6 求解方法的設(shè)置及其控制求解參數(shù)設(shè)置點擊 Solve Controls fSolution ,打開 Solution Controls 面板，如圖所示。在以往 多次計算過

34、程中發(fā)現(xiàn)k和epsilon收斂狀況不好，為了得到好的收斂結(jié)果，將松弛因子項Momentum置為 0.7 , Turbulent Kinetic Energy 設(shè)置為 0.8 , Turbulent Dissipation Rate 設(shè)置為 0.8, Turbulent Viscosity 設(shè)置為 0.6 , body forces 設(shè)置為 1, Pressure 設(shè)置為 0.3 , Reynolds Stresses 設(shè)置為0.5,這樣可以增加收斂速度，點擊OK求解初始化,嵐擊 Solve Initialization fInitialize ，在 Compute From下選擇 inlet

35、嵐擊 Init ,點擊Close ,關(guān)閉面板7.7.7 監(jiān)視器設(shè)置設(shè)置殘差監(jiān)視圖依次點擊 Solve Monitors fResidual ,打開 Residual Monitors 控制面板，點選 Plot 項，在計算時可以動態(tài)地顯示殘差變化情況。在殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)項continuity后設(shè)置為0.001 ,因為continuity項比較難收斂，此標(biāo)準(zhǔn)對于復(fù)雜的三維數(shù)值模擬已經(jīng)足夠高了。其他的保持默認設(shè)置，點擊 OK7.7.8 迭代計算依次點擊 Solve Iterate ，打開如圖所示對話框。在 Number of Iterations 設(shè)置為 1000,其他保持默認，如圖 4-17。點擊It

36、erate ,開始迭代。在迭代過程中要不斷關(guān)注殘差收斂情況，以便及時對設(shè)置進行更改，特別是當(dāng)殘差曲線上升時要及時找出原因(如松弛因子、計算精度)，控制殘差曲線走向，得到好的收斂解。7.7.9 保存計算結(jié)果選才i File -Write -Data,在打開的對話框中輸入名字，單擊。儂鈕，完成結(jié)果的保存。7.8 數(shù)值模擬結(jié)果在FLUENT莫擬結(jié)束后，可以將結(jié)果很形象地顯示出來，得到各種參數(shù)的分布圖。本章將用模擬結(jié)果形象描述所設(shè)計的氣液分離器的內(nèi)部流場，并進行簡要分析。7.8.1 創(chuàng)建等值面為顯示3D模型的計算結(jié)果，需要創(chuàng)建一些面，并在這些面上顯示計算結(jié)果。FLUENT自動定義邊界面為面，比如 in

37、let、outlet邊界上均可顯示計算結(jié)果。但這些面是不夠的，還要定義一些其他的面來顯示計算結(jié)果。操作步驟：Surface fplane打開“plane surface ”設(shè)置對話框如圖所示。通過坐標(biāo)確定三個點的位置，在points輸入點的坐標(biāo)，然后再通過這三個點確定一個平面。如此建立 5個平面，5個面的三個點點坐標(biāo)為：(0.1366765 , 0.1 , 0)、(0.266765 , 0.2 , 0)、(0.366765 , 0.3 , 0); (0.2, -0.1 , 0)、(0.3 , -0.1 , 0.1 )、(0.4 , -0.1 , 0.2); (0.2 , -0.7 , 0)、(

38、0.3, -0.7 , 0.1)、(0.4, -0.7 , 0.2); (0.2, -1.7 , 0)、(0.3, -1.7 , 0.1)、(0.4 , -1.7 , 0.2); (0.2 , -2.7 , 0)、(0.3 , -2.7 , 0.1 )、(0.4 , -2.7 , 0.2)。7.8.2 繪制壓力分布圖(1)點擊Display Contours ,出現(xiàn)下面控制面板。 Options選項選上 Global Range 和 Auto Range。在 Contours of 下拉選項選擇 Pressure、Static Pressure ,為了使結(jié)果顯示 的梯度不太大Level項填入1

39、00, Surfaces 項下分別選擇 default-interior 、plane-5、plane-6、plane-7、plane-8、plane-9 。設(shè)置如圖，點擊Display ,壓力云圖分別如圖所示。11111匚XV HE：MHO：6 i - 5丁=：4. W二二3 0匚二 j匚X二工 EMY二工11:酊k-t ne*0*511 2010rLET6 3 M PEHS 彳豆可圖7-2 plane-5面上的靜壓力分布11 1TIS-CI1 l；e-：S11 mv »工HY工 929*-Q£l 匚；E：； r Wt<； ： $ GcC& 售 &:

40、將Y二 $ae-cz ，m;4 lTe<l m工 me二2 ：r<： 二 32二二 G i« * 11 ITr-Ol 1"C1 ；*E1 T »c*0, yEfe-01 -t ne*0* -i 廣一；二DTOu陪爐苫Sn峰雙z二至二3|LE、T5 3 口M 11.2010Q gna nSV：圖7-3 plane-6面上的靜壓力分布圖1: m 1 lTe-CI 1 1m 1 oera i csvw 學(xué)營”/二二 9J9*-Q£i ClfCl 7 Wt<-： T 11： $ GcC G *: 5,出七 jzi-e-cz ，m 二 * ire

41、<i 3L>ie<i UY二 :二二：-： 二二二 2 C i« I 1 Sj<-K 1 17-r-Cl f 1*01 ；廣fT »c*0i W第E -t ne*Q* -i 1511 2010rLET6 3 |M 凡3可圖7-# plane-7 面上的靜壓力分布圖11 1TIS-CI1 l；e-：S11 mv »工HY工 929*-Q£l 匚；E：； r Wt<； ： $ GcC& 售 &:將Y二 $ae-cz ，m;4 lTe<l m工 me二2 ：r<： 二 32二二 G i« *

42、11 ITr-Ol 1"C1 ；*E1 T »c*0, yEfe-01 -t ne*0* -i 廣一；二DTOU陪爐苫Sn峰雙z二至二3|LE、T5 3 口M 11.2010Q gna nSV：圖7-5 plane-8面上的靜壓力分布圖1: m 1 lTe-CI 1 1m 1 oera i csvw 學(xué)營”/二二 9J9*-Q£i ClfCl 7 Wt<-： T 11： $ GcC G *: 5,出七 jzi-e-cz ，m 二 * ire<i 3L>ie<i UY二 :二二：-： 二二二 2 C i« I 1 Sj<-K

43、1 17-r-Cl f 1*01 ；廣fT »c*0i W第E -t ne*Q* -i 1511 2010rLET6 3 |M 凡3可圖7-6 plane-9面上的靜壓力分布圖(2)以下圖為矩形切向入口分離器的壓力分布圖1 11 W二二 1 SleY： 1 二11 W：£ 11 17E,： 1 GEZ：Z 6Tzi&S61*-C-1 i54<-Oi二皿Yl 1 sm i哈工no-1 5K-C1 金訴E1-j 5*rdJ1T 63c*0l 書鋪 -X：C*O1 噌的冷! «7ie*oi T OSmmxirby也總口飛用工in 三”n 11 2010 r

44、LET6 3 |M EKH6 WJ圖7-7 plane-5面上的壓力分布圖1 Wed 1 0Y ;1 TSe-ci 1 &UY： 1 0Y二 11 w;工 11什Y： 1iby i& 03X1 5151-1 + we-c»i 工 MfOl 二皿Y, 1 <r*-4：i e :*: tE £1k-«-1口IH： T jTLD1 T 啟X*0. 中福， 中d 噌的E THe*oi -i 5：511 2010rLET6 3 |M 凡3可圖7-8 plane-7面上的壓力分布圖1 11 W二二 1 SleY： 1 二11 W：£ 11 17

45、E,： 1 GEZ：Z 6Tzi&S61*-C-1 i54<-Oi二皿Yl 1 sm i哈工no-1 5K-C1 金訴E1-j 5*rdJ1T 63c*0l 書鋪 -X：C*O1 噌的冷! «7ie*oi T OS二DTOu陪爐苫Sn峰雙z二至二3|LE、T5 3 口M 11.2010Q gna nSV：圖7-9 plane-7面上的壓力分布圖1注七 1工如二；1 7第七 1 元 L：； 1的V：1 071 1地七 1 *?<: 1一二1r%Y1 £ 白士1 丁輻BY1 g 島 A： 1 f 61«1 W血Y1> »C11A44

46、-：1 1 M=E1 與K1M -5；ie*W 1 UaYi-3皿3i *T， 再昌y T67t-C -as&E*cifl j LI' -i zmsfe地碼爐 變an:號博鳴jre g&沽,n1T 2310FL£T& j fjc Om 彳并F圖7-10 plane-8面上的壓力分布圖1 11 W二二 1 SleY： 1 二11 W：£ 11 17E,： 1 GEZ：Z 6Tzi&S61*-C-1 i54<-Oi二皿Yl 1 sm i哈工no-1 5K-C1 金訴E1-j 5*rdJ1T 63c*0l 書鋪 -X：C*O1 噌的冷

47、! «7ie*oi T OSmmxirby也總口飛用工in 三”n 11 2010 rLET6 3 |M EKH6 WJ圖 7-12 plane-5面上的靜壓力分布圖7-11 plane-9面上的壓力分布圖(3)以下為溢流管伸入長度L=0.7m的分離器壓力分布圖11 1:4<j1 O&T<J1 d%S 1 91+fi-C；1 5HE 工 hW： 二：?<：im; i UCT*： I 營我告P； 5知VE三:<!4 6r-C-.；j3心y3 £：«：wZ ： 2 1S4<I1 7S«-；i W-T-C1 金雙yT re

48、c*o 力-7 MeT，-1Cche. rt Ss：!': Prtiijrt :as口a：jurnt 2010=.z'.-T i 討 7：-=三M '1 130 i.ioe-«aiSTBt-Ci » 5i*C工 i.91e-K 工3. C7e-C-：* ：；I ； &50e<： G »<< ： 3 %e：5 54e-C*. ! n-e-cz xsse-ci 4ITe：<23 Mt<i: n:：二，F(xiàn) 二： 1 皿-二二 < 1XY 工 1 TSfOi1 31r-I 金鐘tVi*抬E1 *r-CC

49、T -*01 廣冢I t二一工二DTOu陪爐苫Sn峰雙z二至二3|LE、T5 3 口M 11.2010Q gna nSV：圖7-13 plane-6面上的靜壓力分布圖1，修Y? i.ioe-«ai - :,t -:工R二STBt-CI » 5«-Z lW C?e-C-：* :;E ；e »<<: $»HC： SMeV： s> m:4 m二J 匕3二二 :二二：-:二 1皿二二2 1XY 工 1 rifOi1 jir-i 京9dlT e*C，-7T二一二511 2010rLET6 3 |M 凡3可圖7-# plane-7面上的壓

50、力分布圖»沁七 i.91e-K 工3. C7e-C-：* ：；I ； &50e<： G »<< ： 3 %e： 5 54e-C*. ! n-e-cz xsse-ci 4ITe：<2 3 Mt<i:工通匚二< 1時:工1 TSfOi1 31r-I 金鐘tVi*抬E1*r-CCT -*01 廣冢IT二一工mmxir占，于也總口飛用工in 三”n 11 2010 rLET6 3 |M EKH6 WJ圖7-15 plane-8面上的壓力分布圖1，修Y? i.ioe-«ai - :,t -:工R二 STBt-CI » 5

51、«-Z l&W C?e-C-： 7f； * :;E ；e »<<: $»HC： SMeV： s> m: XSfe-CI4 m二J 匕3二二:二二：-:二1皿二二2 1XY 工 1 rifOi1 jir-i 京9dlT e*C，-7T二一二511 2010rLET6 3 |M 凡3可圖7-16 plane-9面上的壓力分布圖7.8.3繪制速度云圖(1)點擊Display Contours ,出現(xiàn)下面控制面板。Options選項選上 Global Range 和Auto Range 。在 Contours of 下拉選項選擇 velocity

52、 、 velocity magnitude , 為了使結(jié)果顯示的梯度不太大 Level項填入40, Surfaces項下分別選擇 plane-5、plane-6、plane-7、plane-8、plane-9。設(shè)置如圖，點擊 Display ,速度云圖分別如圖所示。13曳噂十 工加二*3 14«1:2x we-c=i 1 Sie-01 1 8ie*C-t 1 «Se-c：i 1 £TlS<1 -=-111 工11 UOSlrCI泉*Cjyrours:kag-tjde frn'5：匚 ET33HJJ111 20100 JfflHg =ISH：24Et

53、ixi-e-cc ooccc圖7-17 plane-5面上的速度分布圖13曳噂十 工皿十 S*wS:<- 3 14«1 j Hrpi*T1+-Q1：心，M:hh x we-c=i 1 fle-C-1 1 8ie*c-t 1 «Se-C：i 1 £Tis<11 4Se<1 11 工11 ：?*：學(xué)注FZ 泉*V"ZoTEurs匚門趨/二匕卜占二tjde :f'eN；EC 24Et i：ie C-OC*CCMBnH 201 a rLET6 3 |M K mJ圖7-18 plane-6面上的速度分布圖HIEE三一三 r*i 嗎1 1

54、1 1 1 1 1 1 3-* 7Cmcurs ''Zerb'l：!' k'a" tjde fnv瓦匚4丁西3 口M 11.2010Q gna nSV：圖7-19 plane-7面上的速度分布圖3 MH3 MJ-二* HF3 14«1 3 匚 G IF 工K«1:Gfc-CTX心E1:mu 二法中 1 fle-Ot 1m一1 1 we， 1 STft<1 1處VI 1 WST* 1 £1上Y1 , ： j*C 學(xué)f工一 AYC SC-i<MXN；r<C ：Ofoooe<c上ej傳芋*曲二二七

55、T絹1":FE511 2010rLET6 3 |M 凡3可圖7-# plane-8面上的速度分布圖HIEE三一三 r*i 嗎1 1 1 1 1 1 1 1 3-* 711 20103 |M EKH6 WJ圖7-22 plane-5面上的速度分布圖圖7-21 plane-9面上的速度分布圖(2)以下是切向入口分離器的速度分布圖1 4m 1 «SY1 1 mi 11 4-C1 1 Ji5r<-1 1J3K11111 t3E：l 1 匕epi m T l c-CC m i7ea BS3e-C£ JCM-CC T5Se-« 7XH«40s q女匚匚 3 J3*« 44 jlr<cAec；1&c<-： 118a 5 39rtl oooe-cm 11 刈口=n_ET6 3 M per® 師J圖7-# plane-7面上的速度分布圖f三 Q?EX5£ « 5t*X iilrOC： 二""""Md 二二1 二 M*0： 工 7ftty， a IftHOC*1 iZr-OCd f DSe-*CC= e jge-q C優(yōu)lXCMOmtflMKQ1 g0