冷热水混合器内的流动与热交换模拟(fluent)

实验十 冷热水混合器内的流动与热交换模拟

一、实验目的

（1）熟悉Gambit和Fluent的用户界面和操作； （2）学会使用Gambit建模和划分网格；

（3）学会使用Fluent求解器进行求解，并显示计算结果

二、实验原理

一个冷热水混合器的内部流动与热量交换问题。混合器的长宽均为20cm，，上部带3cm的圆角，温度为T=350K的热水自上部的热水管嘴流入，与下部右侧的管嘴流入的温度为290K的冷水再混合器内进行热量与动量交换后，自下部左侧的小管嘴流出。

三、实验步骤

1利用Gambit建立计算模型

步骤 1：启动 Gambit 软件并建立新文件

启动Gambit并且建立一个新的项目文件，文件名：mixer.dbs （2）选择求解器

用菜单命令 Solver: FLUENT5/6选择求解器为Fluent6. 步骤 2：创建几何图形

（3）创建坐标网格

按照下图1~5创建坐标网格，先创建X坐标的网格，在第3步选择X，完成4、5步骤后，再重复1~5步骤，在第3步选择Y，最终得到XY从-10到10的坐标网格。

发现工作区的网格显示不完全，我们可以按右下角的工作区调整至显示出整个网格。

（4）确定不同类型边界的交点和圆弧中心点

工具按钮，使

Ctrl+鼠标右键，在坐标网格上如上图所示，创建出所需要的各点。

（5）复制点

除了以上各点之外，每个小管嘴还需要外侧的2个点，我们可以通过点的复制来创建各个小管嘴外侧的点。

按照下图1~5的步骤，执行完第4步时，用Shift+鼠标左键选上所要复制的两个点，在第6步输入点要复制到的位置，上部管嘴外侧的点是原来点Y方向上+3的位置。

重复1~5步骤，创建下侧的两个小管嘴外侧的点，下侧小管嘴复制到在原来点Y方向上移动-3的位置。

复制完毕之后按按右下角的下：

按钮，使工作区调整至显示整个网格如

（5）隐藏坐标网格显示

按照下图1~4将坐标网格线隐藏，以便于后面的操作。

（6）由点创建直线和圆弧线

按照下图1~4步骤创建出一条直线，第3步Shift+鼠标左键，选中直线两段的点

重复1~4步骤，创建出其他所需要的直线，最终结果如下图。

需要注意的是创建的直线时要选取最近的点，而且各直线不能重叠，否则在后面将线组成面的操作中，这些直线不能构成一个封闭的面。

按下图1~7步骤分别创建混合器的两段圆弧圆弧，

（7）由线组成面

按下图，1~4步骤，将线组成面，其中第3步，用Shift+鼠标左键，选中组成各面的线，组成面的各直线，必须能构成一个封闭的空间。

按照同样方法重复1~4的步骤，第4不选择小管嘴的各线，将组成小管嘴的三个矩形也组成面，这个我们得到了4个面如下：

步骤 3：网格划分

（8）划分各面的网格

划分网格首先要将组成各面各线按照一定的方式划分，按照右图1~6

步骤操作，第3步，用Shift+鼠标左键选中需要划分的直线。第4步，用鼠标右键选则划分类型为interval count，即按照个数划分。

重复操作以上1~6步骤按照下图的数目，将一个面的组成各线进行等分划分。

按照下图1~4步骤划分出网格，第3步Shift+左键选中要划分网格的面

按照上述同样的操作，将小管嘴矩形两边划分成5等分，最后划分网格如下。

步骤 4：边界条件类型的指定 （9）设置边界类型

按照右图1~7步骤设置边界类型 注意： 第3步要用鼠标右键选Edges类型； 第4步用Shift+鼠标右键选中热水进口管嘴的最外边 第5步要用鼠标右键选中Velocity_inlet（速度入口）类型的边界； 第6步输入入口的名字inlet1，然后按Apply按钮增加一个入口。 重复1~7步骤，在第4步选中冷水入口的边，在第6步输入名字inlet2，创建冷水入口inlet2。 重复1~7步骤，在第4步选中混合水出口的边，第5步选中的边界类型为Outflow，在第6步输入名字outlet，创建出口边界outlet

步骤 6：网格文件的输出 （10）导出网格文件

用菜单明File:Export : Mesh…，在弹出的对话框中输入要导出网格文件的路径和文件名后，按Accept按钮，将网格文件导出

最后用菜单命令File: Exit关闭Gambit回话，在退出之前，Gambit会问是否保存当前的项目，点击Yes将项目保存。

2 用Fluent求解

设置的监视窗口显示如下，在计算到约150次后出口截面上已经达到稳定状态，计算完成。

步骤 6：保存结果

用菜单命令File: Write: Case & Data，将项目和计算结果保存在一个文件夹中。如果以后再需要查看计算结果，用菜单命令File: Read: Case & Data就可以将项目的计算结果读入后，用Display菜单命令将计算结果显示出来。

七、实验结果处理

通过Display: Contours命令，打开Contours对话框如下：

在Contours of栏下选择Temperure，按Display按钮，则温度分布图显示如下，如果将Options中的Filled（填充）去掉，则温度分布图入右图显示。

用同样方法，可以显示压力分布图和速度分布图如下：

用菜单命令Display: Velocity Vector，显示速度矢量场，在弹出的对话框中按照如下选择，并按Display按钮

得到用箭头表示的速度矢量分布图如下：

此外，还可以创建出流口上的温度分布XY图。通过菜单命令Plot: XY Plot，在显示的对话框中设置如下：其中Y轴的函数为温度，Surface选上outlet，点击Plot按钮。

得到出口的温度XY分布图如下：

（7）二阶离散化方法重新计算

以上的求解计算使用的是是一阶离散化方法。一般来说，其计算结果不如二姐离散化方法精度高，收敛性也不如二阶离散化方法理想。下面介绍如何使用使用二姐离散化方法求解。

用菜单命令Solve: Controls: Solution…，打开对话框如下，在Discretization（离散化方法）下Energy（能量）项选Second Order Upwind，在Under-Relaxaztion Factors（松弛系数）项的Energy项，由1降为0.8，其他项不变，点击OK。

菜单命令Solve: Iterate，在Iterate设置对话框中将Number of Iterations项输入200，点击Iterate，开始计算，监视窗口显示如下，表示在迭代了150次左右

时温度达到稳定。

用菜单命令Display: Contours，显示求解结果，显示温度分布图，和原先的温度分布图比较可以发现，求解结果已经得到改善。

（8）自适应网格修改功能

混合器中的热交换计算，还可以通过进一步修改网格，使其更适合于流动计算，达到更理想的拟合效果。可以通过在现有计算的基础上，以温度梯度为基点来改善网格。

首先确定温度梯度的范围。用菜单命令Display: Contours在显示的对话框中，将Options中的Node Values选项不选中，按Display按钮，显示出温度分布

图如下：

发现各单元间边界不光滑了，在准备改进网格时，应该先看一下单元的值，可以看出要进行改进的区域。

在Contours of下拉列表中，选择Adaption…和Adaption Function，在Options项不选择Node Value，点击Display，得到温度梯度显示图如下：

在Options不选择Auto Range，改版最小温度梯度值，将Min设置为0.01，点击Display，显示出需要改进的高温度梯度的网格如下，这部分网格是我们需要改进的网格。

用菜单命令Adapt: Gradient打开对话框，在Gradient of 下来框中选中Temperature和Static Tempreature；在Option中不选Coarsen，即只细化修改网格而不粗糙化。点击Compute，Fluent将计算出温度梯度的最大值和最小值，在Refine Threhold中输入0.01，点击Mark。

显示即将细化的网格有82个：

82 cells marked for refinement, 0 cells marked for coarsening

点击Manage…，在打开的单元注册对话框（Manage Adaption Registers）点击Display。

准备要细化的网格的网格显示如下图。

点击单元注册对话框中的Adapt按钮后，选择Yes确认，最后关闭Manage Adaption Registers和Gradient Adaption对话框，网格细化完毕。

通过菜单命令Display: Grid，改进后的网格显示如下，明显看出前面所标示的温度梯度大于0.01的网格已经得到改进。

用命令菜单Solver: Iterate，输入300次迭代，按Iterate开始计算

计算过程中，监视窗口显示如下，看出出口温度趋于稳定。

命令菜单Display: Contours…，在对话框中Contours of下拉框中选择Tempreature和 Static Tempreature，温度分布图显示出来如下

去掉Options中的Filled，将温度分布用等温线表示如下：

可以看出，经过网格优化后，对温度场的计算更为细腻。 在本例的计算过程中，我们使用了三种离散方法 （1）最初的网格，能量方程采用一阶离散方法； （2）最初的网格，能量方程采用二阶离散方法；

（3）利用温度梯度定位网格单元并给予改进，能量方程采用二阶离散方法。 将三种方法得出的温度分布进行比较，可以明显看出数值计算结果越来越理想。

（a）最初网格，一阶离散 （b）最初网格，二阶离散

（c）改进网格，二阶离散

七、练习

（1）对于最后的结果，绘制出口处的压强、速度和温度分布图 （2）改变入口边界条件重新计算，观察结果

（3）在出口边界上设置观察点，检测出口截面上的速度变化

（4）自己设计出一个冷空气和热空气的混合器，并计算内部的流动与热交换

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