冷热水混合器内的流动与热交换模拟(fluent)汇总

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。

用Fluent求解包括导入和检查网格、建立求解模型、设置边界条件、求解、显示计算结果等。

步骤 1：网格文件的读入、检查及显示

（1）网格的导入和检查及有关操作

启动Fluent6后，在以下窗口中选2D求解器，后按Run，进入Fluent。

用菜单命令Flie: Read: Case…，在打开对话框中，指定到在Gambit中导出的网格文件e:\\example\\mixer.msh，点击OK后，将网格文件导入到Fluent中。

Fluent读入网格文件“mixer.msh”时，并菜单命令Grid: Check检查网格。

网格检查列出了X,Y的最大和最小值，同时还报告了网格的其他特性，如单元格的最大体积、体积和最小体积、面积等，报告的最小体积不能为负值，否则Fluent无法进行计算。

为了保证网格质量，可以用菜单命令Grid: Smooth/Swap平滑和交换网格。在弹出对话框中点击Smooth按钮，再按Swap按钮，重复操作，直到报告中无需要交换的面为止。

No nodes moved, smoothing complete. Done.

Number faces swapped: 0 Number faces visited: 1520

用菜单命令Grid: Scale确定长度单位，在弹出的对话框中将Grid Was Create in中选成cm，然后点击Change Length Units 按钮，最后点击Scale按钮，对话框显示如下图，最后按Close按钮关闭对话框。

最后用菜单命令Display: Grid，在对话框中按Display按钮，将网格显示出来

步骤 2：选择计算模型

建立求解模型，包括选择求解器、设置湍流模型、选择能量方程等步骤。 选择求解器：菜单命令Define: Models: Solver，对话框显示如下：

Solver 求解器分为Segregated（分离）和Coupled（耦合）两种； Formulation（算法）有Implicit（隐式算法）和Explicit显式算法两种； Space（空间属性）有2D（二维空间）和Asisymmetric（轴对称空间）Axisymmetric Swirl（轴对称旋转空间）三种；

Time（时间属性）分为Steady（定常流动）和Unsteady（非定常流动）两种； Velocity Formulation（速度属性）有Absolute（绝对）和Relative（相对）两种；

保持默认设置不变，点击OK关闭对话框。

设置湍流模型：用菜单命令Define: Models: Viscous对话框显示如下：

Inviscid表示无粘（理想）流体；Laminar表示层流模型；另外4个为常见的湍流模型。在这里选择k-epsilon后，按OK按钮，将显示对话框如下，点击OK保持默认值。

选择能量方程：菜单命令Define: Models: Energy，打开对话框中，勾选上Energy Equation，并按确定按钮。

步骤 3：定义固体的物理性质

设置流体的物理属性，可以从Fluent数据库中选用，也可以新建一种新流体，并且输入流体的密度、等压比热、导热系数、动力粘度等物理属性。

用菜单命令Define: Materials显示Materials对话框如下：

右侧按钮Fluent Database选取数据库中的流体，对话框显示如下：

在选择water-liquid（H2O）后，流体的各物理属性显示在下，按Copy按钮，

再按Close按钮关闭该对话框，此时Materials对话框中已经显示出复制的流体。按Change/Create按钮将材料设置为water-liquid后，按Close按钮关闭Materials对话框.

步骤 4：设置边界条件

用菜单命令Define: Boundary Conditions…打开对话框如下，我们在Gambit设置的三个边界类型inlet1、inlet2和Outlet之外，还有fluid（流体）和壁（wall）这两种边界属性。

左侧栏中选中fluid，右侧类型中选fluid，按Set按钮，流体对话框显示如下，将Material Name选择water-liquid（这是我们刚才设置流体属性时，从Fluent材料库中复制过来的流体），然后按OK按钮。

左侧栏选上inlet1按钮，发现右侧类型栏中为Veloctiy Inlet，这是我们在Gambit下设置的类型，按Set按钮，在弹出的对话框中按下图，设置该入口的边界条件后按OK按钮。

用同样的方法可以设置好outlet2的入口边界条件，温度为350K，其他与outlet

相同。

出口的边界条件保持默认值如下。

壁面（wall）的边界条件保持默认值（热流量为0）即可。

设置完边界条件后，点击边界条件对话框上的Close按钮将其关闭。

步骤 5：求解设置

求解过程包括流场初始化、设置监视器、迭代计算等步骤

流场的初始化：菜单命令Solver: Initialize: Initialize…，对话框显示中，选择从inlet2开始计算如下：

点击Init按钮进行初始化之后，再点击Close按钮关闭该对话框。 设置监视窗口：在求解时，所关心的是出口的温度、速度是否达到稳定，为此Fluent可以设置监视器，对所关心界面的物理量进行监视。

菜单命令Solver: Monitors: Surface，在监视器对话框中设置如下图：

将Surface Monitors增加1之后，选上Plot，然后按Define按钮，按照下图设置，在定义监视器对话框，设置成监视outlet的平均重量加权温度，并且在窗口中显示出来。

以上设置完成之后，可以通过用菜单命令File: Write: Case…将该项目保存。以后如果需要打开该项目，可以通过菜单命令File: Read : Case…将项目打开

用菜单命令Solver:Iterate…，在显示的对话框中将Number of Iterations（迭代次数）输入300次，点击Iterate开始计算。

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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