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单入口水力旋流器单相流场的数值模拟

摘要：对水力旋流器进行了网格划分，确立边界条件，基于雷诺应力模型( RSM)，采用CFD 软件FLUENT对水力旋流器的切向和轴向速度场、压力场进行了数值模拟研究，并与理论、实验结果进行了对比分析。

关键字：水力旋流器；单相流场；数值模拟；FLUENT

1 前言

水力旋流器是一种用途非常广泛的分离、 分级、分选的设备，由于其结构简单、操作方便、运行和维护费用低等特点被广泛用于工业生产过程中。自20 世纪60年代以来，许多学者应用N- S 方程以及流体连续性方程在旋流器的流场、颗粒运动行为、分离机理等方面做了大量的工作，建立了许多描述湍流的模型。其中较为成熟的模型有：零方程模型、单方程模型、双方程模型、代数应力模型和雷诺应力模型等，但是受到计算机性能的限制，实现起来比较困难，仅限于单一流体的运动情况。20世纪80 年代以来，随着现代测试技术和计算与模拟技术的飞速发展，数值模拟的准确度和可靠性不断提高，模拟值与实际值更为接近。

本文采用雷诺应力（RSM）模型，对单入口水力旋流器的单相流场进行模拟，同时分析其切向速度和轴向速度以及压力场的分布，对溢流管外壁与柱段壁面之间的旋涡数进行预测，从而为更好的分析多相流场提

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课程：计算流体力学

题目：FLUENT软件不同辐射模型

的运用

因热而发出辐射能的现象称为热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递——辐射换热。辐射换热是高温条件下换热的主要机制，黑体单位时间内发出的辐射热量与导热、对流换热量相比比较大时，应考虑辐射换热。FLUENT可以计算的辐射换热问题包括火焰辐射，表面的辐射加热或冷却，辐射、对流和热传导的耦合换热问题，空调、通风设备中通过窗户的辐射换热，汽车车厢内的热交换分析，玻璃加工、玻璃纤维拉丝和陶瓷加工过程中的辐射换热问题。这五种模型分别是离散换热辐射模型（DTRM）、P-1辐射模型、rosseland辐射模型、表面辐射模型S2S和离散坐标（DO）辐射模型。 实例：

在边长为1m的正方形容器，右侧壁面温度为2000K，左侧壁面温度为1000K，

52

上下壁面均为绝热。重力方向向下，重力加速度设为6.96 10m/s；容器内部

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43

C 1.1030 10J/(Kg K)，kg/mP的介质密度为1000的流体介质，其定压比热 3

10kg/(m s)，热传导率k 15.309w/(m k)。流体的介质普朗特粘性系数

5

p 0.71R 5 10数r

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组分传输与气体燃烧

题目：长为2m，直径为0.45m的圆筒形燃烧器结构，燃烧筒壁上嵌有三块厚0.005m，高0.05m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。燃烧火焰为湍流扩散火焰。在燃烧器中心有一个直径为0.01m、长0.01m、壁厚为0.002m的小喷嘴，甲烷以60m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。空气从喷嘴周围以0.5m/s的速度进入燃烧器。总当量比大约是0.76，甲烷气体在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷口直径的雷诺数约为5700。 一：前处理——利用GAMBIT建立计算模型，其基本结构及网格画法如下图

几何结构示意图

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燃烧筒网格图

二：利用FLUENT进行混合器内流动与换热的仿真计算 1:启动FLUENT-2d，显示网格如下图

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2迭代计算如，:残差图如下

残差监测曲线

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3：显示计算结果，速度分布云图如下：

温度分布云图

计算流体力学作业FLUENT 模拟燃烧

组分传输与气体燃烧 问题描述：长为2m、直径为0.45m的圆筒形燃烧器结构如图1所示，燃烧筒壁上嵌有三块厚为0.0005 m，高0.05 m的薄板，以利于甲烷与空气的混合。燃烧火焰为湍流扩散火焰。在燃烧器中心有一个直径为0.01 m、长为0.01 m、壁厚为0.002 m的小喷嘴，甲烷以60 m/s的速度从小喷嘴注入燃烧器。空气从喷嘴周围以0.5 m/s的速度进入燃烧器。总当量比大约是0.76(甲烷含量超过空气约28%)，甲烷气体在燃烧器中高速流动，并与低速流动的空气混合，基于甲烷喷嘴直径的雷诺数约为5.7×103。

假定燃料完全燃烧并转换为:CH4+2O2→CO2+2H2O

反应过程是通过化学计量系数、形成焓和控制化学反应率的相应参数来定义的。利用FLUENT的finite-rate化学反应模型对一个圆筒形燃烧器内的甲烷和空气的混合物的流动和燃烧过程进行研究。

1、 建立物理模型，选择材料属性，定义带化学组分混合与反应的湍流流动边界条件 2、 使用非耦合求解器求解燃烧问题

3、 对燃烧组分的比热分别为常量和变量的情况进行计算，并比较其结果 4、 利用分布云图检查反应流的计算结果 5、 预测热力型和

使用求解器

数值格式概况

FLUENT提供两种数值求解方法：分离解法(\和耦合解法(\。

Fluent的两种解法都可以解守恒型积分方程，其中包括动量、能量、质量以及其他标量如湍流和化学组分的守恒。在两种情况下都应用了控制体技术，它包括： 使用计算网格对流体区域进行划分

对控制方程在控制区域内进行积分以建立代数方程，这些代数方程中包括各种相关的离散变量如：速度、压力、温度以及其他的守恒标量

离散方程的线化以及获取线性方程结果以更新相关变量的值

两种数值方法采用相似的离散过程——有限体积，但线化的方法以及离散方程的解法是不同的。首先我们在离散解法与耦合解法中讨论一般的解法，然后讨论一下线性显式与隐式中的线化方法

分离解方法

分离求解器原来是FLUENT 4和FLUENT/UNS所用的算法。使用该方法，控制方程是分离解出的（即：一个一个的解）。因为控制方程是非线性的（还是耦合的），所以在得到收敛解之前，必须进行迭代。下面是对每步迭代的介绍：

1. 在当前解的基础上，更新流体属性（如果计算刚刚开始，流体的属性用初始解来更新） 2. 为了更新流场，u，v和w的动量方程用当前压力和表面质量流量按顺序解出。 3. 因为第一步得到的速度可能在局部不满足

使用求解器

本章介绍FLUENT求解器的结构以及使用方法。 目录

数值格式概况 离散 分离解 耦合解

求解器的使用概况 离散差分格式的选择 选择压力速度耦合方法 设定松弛因子 改变Courant数

Turning On FAS Multigrid 设定解的限制 解的初始化 计算

监视解的收敛性 计算期间命令的执行 收敛性与稳定性

数值格式概况

FLUENT提供两种数值求解方法：分离解法(\和耦合解法(\。

Fluent的两种解法都可以解守恒型积分方程，其中包括动量、能量、质量以及其他标量如湍流和化学组分的守恒。在两种情况下都应用了控制体技术，它包括： 使用计算网格对流体区域进行划分

对控制方程在控制区域内进行积分以建立代数方程，这些代数方程中包括各种相关的离散变量如：速度、压力、温度以及其他的守恒标量

离散方程的线化以及获取线性方程结果以更新相关变量的值

两种数值方法采用相似的离散过程——有限体积，但线化的方法以及离散方程的解法是不同的。首先我们在离散解法与耦合解法中讨论一般的解法，然后讨论一下线性显式与隐式中的线化方法

分离解方法

分离求解器原来是FLUENT 4和FLUENT/UNS所用的算法。使用该方法，控制方程是分离解出的（即

Fluent用户操作手册

一、用户申请

假设已拥有了超算中心用户账号，账户名为dongjing，密码为####。

二、安装Xmanager软件

用于文件的传输和作业的提交。

三、作业准备

需要3个，假设3个文件都命名为JD1。

1）“*.cas”文件，此处将文件命名为“JD1.cas”

2）“*.jou”文件，用于操作计算case运行，格式见Figure1所示“JD1.jou”文件

3）“*.sbatch”文件，用于建立任务，调用jou文件，格式见Figure2 所示“JD1.sbatch”文件

说明：样本JD1.cas为非稳态并行计算，红色字体部分用户可根据自己算例设置和超算中心账号资源分配情况进行相应修改。脚本文件的编写可参考https://hpc.fau.edu/how-to-run-ansys-fluent-jobs-in-slurm/

Figure 1

Figure 2

四、登录账户

如Figure3-9所示，通过Xmanager软件连接，打开Xshell，点击工具栏的“新建”按钮，出现“新建会话属性”对话框，在“名称（N）：”中输入相应会话名称，如: whupc（用户自主命名），在

“主机（H）：”中输入登陆IP：202.114.9

第三章 读写文件

在使用FLUENT时你需要输入和输出几种类型的文件，其中读入的文件包括grid, case, data, profile, Scheme,以及journal文件，还有包括包含case, data, profile, journal,以及transcript的文件。 FLUENT也可以保存面板的布局以及图形窗口的硬拷贝。使用各种可视化以及后处理工具可以输出数据。下面详细介绍一下上述内容。

FLUENT读写的文件

表一列出了FLUENT所能读写的文件。关于各种文件的使用，哪一代码写哪一类型的文件，每一类型的文件的更多信息都可以参阅这个表。(注意：下表中的一些文件格式并不是FLUENT的格式，但是当它们被读入的时候格式会被自动转换)

表一：FLUENT读写的文件 Grid Third-Party Case Data FLUENT/UNS Case FLUENT/UNS Data RAMPANT Case RAMPANT Data FLUENT 4 Case FIDAP 7 Neutral Ray PDF Journal Transcript Hardcopy Plot Profile

创业打算样本示例2

由河南农业大学团委提供

创业打算小组成员：

陈鹏举 常 娟 乔家运 王 波 张 翰 赵东明 周高云

99 级新高职）（河南农业大学01级动物营养研究生） （河南农业大学牧医工程学院98级营养）00 动 科）01 动 医）01 新高职）99 经济学）

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（河南农业大学牧医工程学院 （河南农业大学牧医工程学院 （河南农业大学牧医工程学院 （河南农业大学牧医工程学院 （河南农业大学经贸学院

目 录

一．执行总结 1

．

1

综

述

-------------------------------------------------------------6 1

．

2

公

司

-------------------------------------------------------------8 1．3 市场

-------------------------------------------------------

FLUENT教程

网格的读入和使用

FLUENT可以从输入各种类型，各种来源的网格。你可以通过各种手段对网格进行修改，如：转换和调解节点坐标系，对并行处理划分单元，在计算区域内对单元重新排序以减少带宽以及合并和分割区域等。你也可以获取网格的诊断信息，其中包括内存的使用与简化，网格的拓扑结构，解域的信息。你可以在网格中确定节点、表面以及单元的个数，并决定计算区域内单元体积的最大值和最小值，而且检查每一单元内适当的节点数。以下详细叙述了FLUENT关于网格的各种功能。（请参阅网格适应一章以详细了解网格适应的具体内容。）

网格拓扑结构

FLUENT是非结构解法器，它使用内部数据结构来为单元和表面网格点分配顺序，以保持临近网格的接触。因此它不需要i，j，k指数来确定临近单元的位置。解算器不会要求所有的网格结构和拓扑类型，这使我们能够灵活使用网格拓扑结构来适应特定的问题。二维问题，可以使用四边形网格和三角形网格，三维问题，可以使用六面体、四面体，金字塔形以及楔形单元，具体形状请看下面的图形。FLUENT可以接受单块和多块网格，以及二维混合网格和三维混合网格。另外还接受FLUENT有悬挂节点的网格（即并不是所有单元都共有边和面的顶点），有关悬挂节点的详细