流體與傳熱數(shù)值計(jì)算大作業(yè)

./1.研究對象：冷、熱水換熱器問題描述：一個(gè)冷、熱水混合器的部流動(dòng)與熱量交換問題。溫度為T=350k的熱水自上部的熱水小管嘴流入,與自下部右側(cè)小管嘴流入的溫度為290k的冷水在混合器部混合進(jìn)行熱量與動(dòng)量交換后,自下部左側(cè)小管嘴流出。混合器結(jié)構(gòu)如下圖1-1所示。輸入條件：熱水溫度Tr=350K,熱水入口速度vr=10m/s;冷水溫度Tl=290K,冷水入口速度vl=10m/s;圖1.1換熱器簡圖2.利用GAMBIT建立計(jì)算模型2.1創(chuàng)建混合器網(wǎng)格圖打開gambit,選擇fluent5/6求解器,首先在工作區(qū)建立20*20的網(wǎng)格,再根據(jù)模型的幾何尺寸要求,確定出不同類型邊界的交點(diǎn)及圓弧中心點(diǎn)。再由節(jié)點(diǎn)逐步建立出混合器的壁面及各個(gè)小管嘴,最終建成各個(gè)面,從而生成換熱器的幾何模型。打開"meshedges",選取邊線,對各個(gè)線的部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新剖分。在"edges"選中取邊界線LA,CD,FG,GH,KL,在"intervalcount"中填入15,將各條邊分成15份。同樣操作,其它邊分成5分。完成上述工作后,可查看網(wǎng)格劃分情況,如圖2.1所示：圖2-1換熱器網(wǎng)格圖2.2設(shè)置邊界類型如圖1.1所示,這個(gè)換熱器的邊界主要就是入口邊界與出口邊界需要設(shè)置,入口邊界有冷水入口ST與熱水入口UV,出口邊界只有冷熱水混合后出流口PQ,因此打開"ZONES"中"SpecifyBoundaryType"對話框,在"Action"項(xiàng)選add,創(chuàng)建名稱"inlet1",并選擇"velcocityinlet"類型,最后選取邊界線ST,點(diǎn)擊Apply,這樣就設(shè)置了ST的邊界類型,類似的操作,可設(shè)置邊界UV和PQ的邊界類型分別為"inlet2""outlet"。設(shè)置結(jié)果如圖2.2所示：圖2.2邊界類型設(shè)置對話框至此保存,并選擇File/Export/Mesh命令,選中Export2DMesh輸出mixowwang.msh文件,該文件可直接有Fluent讀入。3.換熱器部流動(dòng)與換熱的仿真計(jì)算3.1對網(wǎng)格進(jìn)行處理1以二維單精度方式啟動(dòng)Fluent,讀入網(wǎng)格文件mixowwang.msh,這樣就完成了網(wǎng)格文件的輸入操作。2選擇Grid中Check,對網(wǎng)格進(jìn)行檢查,網(wǎng)格檢查列出了x,y的最小值和最大值,也報(bào)告出了網(wǎng)格的其它特性,如單元的最大體積,最小體積,最大面積與最小面積等,同時(shí)網(wǎng)格檢查還會(huì)報(bào)告有關(guān)網(wǎng)格的任何錯(cuò)誤,若存在錯(cuò)誤,fluent將無法進(jìn)行計(jì)算。3平滑網(wǎng)格。對網(wǎng)格進(jìn)行平滑操作,可進(jìn)一步確保網(wǎng)格質(zhì)量。4確定長度的單位。由于進(jìn)入Fluent后,其默認(rèn)的長度單位是m,而在Gambit下構(gòu)建網(wǎng)格時(shí)使用的是cm,所以要在Grid中的Scale中將網(wǎng)格的長度單位改為cm。3.2設(shè)置求解模型選擇非耦合〔Segragated求解法,并使用隱式算法〔Implicit,空間屬性顯然是二維,由于流體在換熱器的流動(dòng)情況可以按穩(wěn)態(tài)問題處理,所以時(shí)間屬性為定常流動(dòng)〔Steady。采用絕對速度公式。冷水與熱水在換熱器混合形成湍流,計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)設(shè)置為湍流模型,這里選擇k-ξ湍流模型。k-ξ雙方程模型適合絕大多數(shù)的工程湍流模型,其中k為湍動(dòng)能,定義為速度波動(dòng)的變化量,其單位是m2/s2。ξ為湍動(dòng)能耗散,即指速度波動(dòng)耗散的速度,其單位是單位時(shí)間的湍動(dòng)能,m2/s3。其控制方程如下：連續(xù)方程：動(dòng)量方程：湍動(dòng)能方程：湍動(dòng)能耗散方程：并選擇能量方程：連續(xù)方程：動(dòng)量方程：其中定解條件：將邊界條件〔兩個(gè)入口溫度與流速在fluent中設(shè)置好了以后,對流場進(jìn)行初始化,熱水入口〔inlet2開始,對部流動(dòng)設(shè)置出一個(gè)猜測的初始值,然后進(jìn)行迭代計(jì)算,如果迭代收斂,則表明定解,如果發(fā)散,則沒有定解。3.3設(shè)置流體物理屬性及邊界條件1創(chuàng)建新流體,取名為water。并在屬性欄輸入流體的各項(xiàng)物理參數(shù)：Density<密度>：1000；Cp〔等壓比熱：4216；ThermalConductivity〔導(dǎo)熱系數(shù)：0.667；Viscosity〔動(dòng)力粘度：8e-4。點(diǎn)擊Change/Create,在彈出的對話框中選No,這就使名為water的流體添加到材料選擇列表中。2設(shè)置邊界條件。1、設(shè)置流體。打開"BoundaryConditions",在區(qū)域標(biāo)識(shí)欄〔zone中選擇流體〔fluid,設(shè)置〔set,并在MaterialName下拉列表中選擇water.2、設(shè)置冷〔熱水入口邊界條件。在zone欄中選擇inlet1,點(diǎn)擊設(shè)置,在VelocitySpecificationMethod〔速度給定方式下拉列表中選擇MagnitudeNormaltoBoundary〔給定速度大小,速度方向垂直邊界。在VelocityMagnitude〔入口速度輸入10,在湍流定義方法中選擇強(qiáng)度與水力直徑,湍流強(qiáng)度一欄中走入5,水力直徑中填入2。用同樣的方法設(shè)置熱水入口邊界條件。3、為出流口設(shè)置邊界條件。在zone欄選擇outlet,再點(diǎn)擊Set,打開Outflow對話框,保持默認(rèn)值,確認(rèn)。對于壁面,也選擇默認(rèn)值。3.4求解計(jì)算1流場初始化。從Solver中打開SolutionInitiation,在Computefrom列表中選擇inlet2,即從入口2開始計(jì)算,則表中數(shù)據(jù)與邊界inlet2相同。鑒于初始化僅僅是對部流動(dòng)的一個(gè)猜測值,可以對其數(shù)值進(jìn)行更改,其結(jié)果影響到迭代計(jì)算的收斂速度。點(diǎn)擊int,關(guān)閉對話框。2設(shè)置監(jiān)視器窗口,監(jiān)測特殊截面上物理量的變化。在出口處,所關(guān)心的是溫度、速度是否達(dá)到穩(wěn)定值,為此,可以設(shè)置監(jiān)視器,對所關(guān)心的截面和物理量進(jìn)行監(jiān)測。這里,所關(guān)心的截面是出口outlet,所以在surface項(xiàng)選擇監(jiān)測表面為outlet；Reportof中選擇溫度。3設(shè)置求解控制參數(shù)。由于求解器中默認(rèn)的是一階離散化方法,而在流體計(jì)算中要求解非線性方程,為改善求解精度,應(yīng)將能量方程改成二階迎風(fēng)格式,其他均采用一階格式。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。將能量方程的松弛系數(shù)由1改為0.8,其余保持不變。4迭代計(jì)算。迭代次數(shù)設(shè)為300次。單擊Iterate按鈕,進(jìn)行迭代計(jì)算計(jì)算結(jié)果如圖3.1所示,達(dá)到規(guī)定的收斂精度,完成數(shù)值計(jì)算。圖3.1出口平均溫度變化曲線由監(jiān)測曲線可以明顯看出,迭代計(jì)算到200次以后,出口截面上的平均溫度已經(jīng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)了。5顯示計(jì)算結(jié)果：在Fluent中生成的流場計(jì)算結(jié)果如下圖3.2、3.3、3.4、3.5、3.6所示。圖3.2與3.3分別是換熱器部的速度分布圖及速度矢量圖；圖3.4與3.5分別為溫度分布圖及溫度等值線圖；圖3.6為換熱器的等壓線圖；圖3.2速度分布圖圖3.3速度矢量圖圖3.4溫度分布圖圖3.5溫度等值線圖圖3.6換熱器等壓線圖3.5改進(jìn)網(wǎng)格并進(jìn)行再計(jì)算換熱器部流動(dòng)與熱交換計(jì)算還可以進(jìn)一步得到改善,這可通過進(jìn)一步改善網(wǎng)格使其更適合流動(dòng)計(jì)算?，F(xiàn)在,可以在目前求解的基礎(chǔ)上,以溫度梯度為基點(diǎn)來改善網(wǎng)格。在改動(dòng)網(wǎng)格之前,應(yīng)該先確定溫度梯度的圍,一旦得到改進(jìn),即可繼續(xù)計(jì)算。繪制用于改進(jìn)網(wǎng)格的溫度梯度圖。在Contoursof下拉列表中選擇Adaption和AdaptionFunction；在Options下不選NodeValues,點(diǎn)擊Display,即可得到溫度梯度圖如圖3.7所示。在一定圍繪制溫度梯度,標(biāo)出需要改進(jìn)的單元。在Options下不選AutoRange,由此以改變最小溫度梯度值。再將最小變量由1改為0.01,點(diǎn)擊Display,得到圖3.8,有顏色的網(wǎng)格就是高梯度圍,應(yīng)予以改進(jìn)。對高溫度梯度的網(wǎng)格進(jìn)行改進(jìn)。打開GradientAdaption,在Gradientof下拉列表中選擇Temperature,不選擇Coarsen,僅執(zhí)行網(wǎng)格修改功能；點(diǎn)擊Compute,將修正最大及最小值；并在RefineThreshold項(xiàng)輸入0.01,點(diǎn)擊Mark,再點(diǎn)擊Manage,Display,再點(diǎn)擊Adapt,并確認(rèn),從而就可以得到改進(jìn)后的網(wǎng)格。如圖3.9所示。圖3.7換熱器的溫度梯度圖3.8溫度梯度較高的單元圖3.9改進(jìn)后的網(wǎng)格圖繼續(xù)進(jìn)行300次迭代計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖3.10所示：圖3.10出口截面上的溫度變化曲線再次查看溫度分布情況,如圖3.11及3.12所示：圖3.11充填方式顯示的溫度分布圖圖3.12等值線方式顯示的溫度分布圖4．結(jié)果分析及結(jié)論上述的容主要研究了冷、熱水在混合器混合后,出口的溫度,流速等情況。本問題中,由于物性參數(shù)是常數(shù),故流場和溫度場沒有耦合。對此,更有效的方法是先計(jì)算流場〔即求解時(shí)不取能量方程,然后再計(jì)算能量方程