fluent的一个实例波浪管道的内部流动模拟.docx

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fluent的一个实例波浪管道的内部流动模拟

基于FLUENT的波浪管道热传递耦合模拟

CFD可以对热传递耦合的流体流动进展模拟。

CFD模拟可以观察到管道部的流动行为和热传递，这样可以改良波浪壁面复杂通道几何形状中的热传递。

目的：

（1）创立由足够数量的完整波浪组成的波浪管道，提供充分开展条件；

（2）应用周期性边界条件创立波浪通道的一局部；

（3）研究不同湍流模型以及壁面函数对求解的影响；

（4）采用固定外表温度以及固定外表热流量条件，确定雷诺数与热特性之间的关系。

问题的描述：

通道由重复局部构成，每一局部由顶部的直面和底部的正弦曲面构成，如图。

图1管道模型

空气的流动特性如下：

质量流量：

m=0.816kg/s;

密度:

ρ=1kg/m3;

动力粘度：

μ=0.0001kg/（m·s）;

流动温度：

Tb=300K；

流体其他热特性选择默认项。

流动初试条件：

x方向的速度=0.816m/s；

湍动能=1m2/s2;

湍流耗散率=1×105m2/s3。

所有湍流模型中均采用增强壁面处理。

操作过程：

一、完整波浪管道模型的数值模拟

（1）计算

Re=uH/v=0.816×1/（0.0001/1）=8160

Cf/2=0.0359Re-0.2=0.0359×（8160）-0.2=0.0059259

y+=uty/v

y=0.00159

（2）创立网格

本例为波浪形管道，管道壁面为我们所感兴趣的地方所以要局部细化。

入口和出口处的边界网格设置如图。

图2边网格

生成面网格

图3管道网格

（3）运用Fluent进展计算

本例涉及热传递耦合，所以在fluent中启动能量方程，如图。

图4能量方程

设定条件，湍流模型选择标准k-e模型，近壁面处理选择增强壁面处理。

图5湍流模型

设定材料，密度为1，动力粘度改为0.0001如图。

图6材料设定

设定边界条件，入口速度为0.816，湍动能为1，湍流耗散率为100000。

出口为自由出口，壁面温度为固定温度分别为300k，500k。

图7边界条件

初始化，并计算。

图8残差

残差中的e和k并没有减小，没有到达10-3一下，并且由于网格很大，计算时间很长。

图9压力分布图

随着流体流动，管道中压力分布趋于平稳，波浪管道中波谷的压力最低，在入口处的压力较高。

图10速度分布图

从图中可以看出，在管道7-11个波浪处，流动已经充分开展，贴近上壁处速度最大，在波谷出的速度最小，甚至接近于零。

图11温度分布图

贴近波浪壁面出的温度较高，流动充分开展后，由于换热作用，管道后部流体温度逐渐升高，在波峰与波谷之间的流体温度最高，如图。

图12速度矢量图

可以看出，波浪壁面出流体出现反流，在波谷出反流的流体最多，速度在波谷出最小，接近于0，出现滞留区。

假设要观察波峰、波谷处流体流动速度，需要在波峰、波谷处创立两条直线，观察直线上的速度。

因为管道7-11节处流动充分开展，所以在第十一节波峰、波谷处建立两条直线，如图。

图13波峰、波谷

图14波峰、波谷的速度

波峰贴近两侧壁面出的速度梯度很大，在管道中间速度随高度增加而增加，在0.7m左右到达最大。

波谷处靠近上壁面的速度梯度很大，但是由于有波谷存在，波谷处的速度梯度不大，在谷中速度先增大再减小，在0处左右到达最下，随后逐渐增加，在0.7m高度左右速度最大。

高度在0.5m处以上波峰波谷处的速度根本相等。

二、周期性波浪管道模型的数值模拟

图15周期性网格

网格密度与完全管道网格一样。

在fluent中输入以下指令，创立周期性网格。

/grid>modify-zones

/grid/modify-zones>make-periodic

Periodiczone[（）]inlet

Shadowzone[（）]outlet

Rotationalperiodic?

（ifno,translational）[yes]no

Createperiodiczones?

[yes]yes

Autodetecttranslationvector?

[yes]yes

putedtranslationdeltas:

1.0000000.000000

all100facesmatchedforzones6and5.

zone5deleted

createdperiodiczones.

/grid/modify-zones>

边界条件中可以看到已经没有outlet，inlet也变成了periodic周期性的。

这里要设置周期性边界条件。

质量流量为0.816，其他设置与之前一样。

图16边界条件

图17残差

Energy并不收敛，反而随计算而发散。

其他参数都收敛。

计算量很小，计算速度明显提高。

图18压力图

图18压力图速度图温度图速度矢量图

管道中间压力最大并比拟均匀，在波浪波谷出压力最低。

温度分布不太正确。

图19波峰波谷速度图

波峰贴近两侧壁面出的速度梯度很大，与完全模型相似，波峰在管道中间速度随高度增加先增加在减小，但是变化不大，其他分布趋势与完全模型相似。

图20周期模型与完全模型波峰速度图比拟

周期性模型，管道中速度根本相等，没有呈现完全模型的变化趋势。

图21周期模型与完全模型波谷速度图比拟

两模型的波谷速度的变化趋势大致一样，在小于0.3m处，周期性模型速度大于完全模型，0.3m之后，周期性模型速度小于完全管道模型。

三、周期性波浪管道不同湍流模型的数值模拟

应用周期模型，再选分别应用RNG与Realizable湍流模型计算。

实验数据如图。

图21RNG模型波峰波谷速度图

图22Realizable模型波峰波谷速度图

将之前的数据放在一起进展比拟。

图23不同湍流模型波峰速度图

图24不同湍流模型波谷速度图

从图中可以看出realizable和标准k-e模型波峰的速度分布大致一样，RNG模型与完全模型更接近，变化更大。

三种湍流模型波谷的速度分布与波峰分布特点相似。

四、整体模型壁面采用固定热流率的数值模拟

重新选用整体模型，只需改变波浪面即wall2的边界条件即可，改为热流率1000w/m2，其他条件不变。

图25不同湍流模型波谷速度图

图26固定壁面温度与固定热流率波峰速度图比拟

图27固定壁面温度与固定热流率波谷速度图比拟

从图中可以看出固定壁面温度与固定热流率波峰与波谷的速度分布还是比拟相似的，不同的是在0.6m处固定热流率波峰波谷速度比固定壁面温度的速度稍高，在0.6m之后固定热流率波峰波谷速度比固定壁面温度的速度稍低，在接近两壁面处根本相等。

图28压力云图温度云图

从图中可以看出，固定壁面温度与固定热流率模型的压力分布根本一样，但是，固定热流率模型管道流动充分开展后，靠近波浪壁面的温度比固定壁面温度模型温度要高，说明前者换热量比后者大。