胡兆文有限元作业111.docx

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胡兆文有限元作业111

变径方管的两种网格划分和计算收敛阶次的比较

摘要；本文采用ansysfluent有限元流场分析软件对变径方管做清水流场模拟分析。

通过分析和计算得出变径方管内部的速度云图，压力云图，位移云图和速度矢量图。

利用ICEMCFD对方管进行六面体网格划分和四面体网格划分。

在fluent内部进行三阶，六阶计算得出不同的网格类型计算的结果计算的用时上六面体较短，六阶计算较三阶计算精度更高。

关键词：

FLUENT;方管;ICEM;四面体网格；六面体网格

第1章前言

随着科学的发展，计算机技术在机械工程中的运用日显其伟大的作用。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。

它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

管道是用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。

主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中，所以对管道进行有限元流场分析显得尤为重要。

第2章基于Ansysfluent的变径方管的有限元分析

CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。

由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。

灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。

目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM，而不是早已过时的GAMBIT。

本文选用较为简单的方管进行网格划分，为了更加突出四面体网格比六面体网格更加符合模型要求。

ICEMCFD中六面体网格划分采用了由顶至下的“雕塑”方式，可以生成多重拓扑块的结构和非结构化网格。

整个过程半自动化，使用户能在短时间内掌握原本只能由专家进行的操作。

采用了先进的O-Grid等技术，用户可以方便地在ICEMCFD中对非规则几何形状划出高质量的“O”形、“C”形、“L”形六面体网格。

TetraMeshing四面体网格四面体网格适合对结构复杂的几何模型进行快速高效的网格划分。

在ICEMCFD中四面体网格的生成实现了自动化。

系统自动对已有的几何模型生成拓扑结构。

用户只需要设定网格参数，系统就可以自动快速地生成四面体网格。

系统还提供丰富工具使用户能够对网格质量进行检查和修改。

2.1建立模型

本文选用的模型如下图

图1方管模型图

模型尺寸有大端边长为500mm正方形拉伸500mm而得，小端有边长为200mm的正方形拉伸200mm所得。

大端为进口端，小端是出口端。

进口端的流速是5m/s。

清水流场，压力是正常大气压，默认软件设置的参数。

本文选用两种不同的单元类型划分方管，利用网格划分软件ICEM对变径方管进行结构化网格划分（四面体）和非结构化网格划分（六面体）。

网格划分如下图所示；

六面体网格如下图；

图2模型六面体网格划分结果

图3进口端六面体网格图4出口段六面体网格

四面体网格如下图；

图5模型四面体网格划分结果

图6进口端四面体网格图7出口端四面体网格

比较上图可以看出对于本模型四面体网格更符合模型的要求，网格质量更高，特别是在进出口端，网格单元的生成时间上六面体网格用时更短。

但四面体的网格精度质量更高。

2.2定义边界条件并求解

分别把划分好的两种类型的网格导入fluent6.3中进行设置参数模拟分析。

设置边界条件；进口端流速5m/s，清水流场，标准大气压，稳定流动，显性模式，基于压力的计算，湍流模型选择k-ε湍流模型。

分别进行三阶，六阶收敛计算。

如下图设置六阶收敛参数；

图8收敛残差设置模块

2.3进行求解

在ICEM内生成网格后，导出网格后就可以导入fluent中模拟分析计算对生成的结果文件进行后处理。

通常通过POST1后处理器就可以处理和显示大多数感兴趣的结果。

以下各图便可得到六面体网格，四面体网格的三阶，六阶的速度云图，压力云图，速度矢量图。

六面体网格三阶，六阶求解结果如下。

图9三阶速度云图

图10三阶压力云图

图11三阶速度矢量图

图12六阶速度云图

图13六阶压力云图

图14六阶速度矢量图

四面体网格三阶，六阶求解结果如下；

图15三阶速度云图

图16三阶压力云图

图17三阶速度矢量图

图18六阶速度云图

图19六阶压力云图

图20六阶速度矢量图

第3章计算结果分析

对比该模型四面体的网格比六面体网格的计算精度高，但是用的时间长，比较结果云图可知四面体网格更符合该模型的类型网格从速度云图，压力云图，速度矢量图可以看出六阶比三阶的计算结果图形更加清晰全面，精度更高。

并且四面体网格比六面体网格的计算用时更长。

从分布云图上可以看出速度分布小端口处的速度比大口端的速度较大，压力分布速度也符合实际情况，集中在中心处渐渐散开。

第4章结语

1、通过本模型计算可知fluent的稳定性好，同实际情况符合较好；

2，ICEM与fluent具有良好的接口。

划分好网格后直接导入fluent中十分方便。

3、对于该模型结构化网格比非结构化网格更加符合计算精度要求，并且计算用时短。

4、计算的收敛阶次六阶相对于三阶更具有高的云图精度，更加符合实际。

5、利用ICEM划分结构化网格较为麻烦，对于复杂的模型建议利用非结构化网格进行局部处理。

参考文献：

[1]周雪漪.计算水力学[M].北京：

清华大学出版社，1995.

[2]陶铨数值传热学（第二版）[M].西安：

县交通大学出版社，2001.

[3]郭鸿志.传输过程数值模拟[M].北京：

冶金工业出版社，1998.

[4]任玉新，陈海昕.计算流体力学基础[M].北京：

清华大学出版社，2006.

[5]叶旭初.CFD技术与工程应用[J].南京工业大学材料科学与工程学院，2003.

[6]王福军.计算流体力学分析[M].北京：

清华大学出版社，2005.

附录一；

ICEM生成六面体网格的相关数据如下；

ICEMCFD14.0

Checkedoutansyslmdfeatureaienv（productANSYSICEMCFD）fromserver1055@PC201310061040

Customernumberis169768

Loadinggeometryfile"C:

/Users/Administrator/Desktop/zuoye/liumiantifenxi/1.tin"

CurrentCoordinatesystemisglobal

---GeometryInfo---

Unitsaremillimeters

11surfaces

24curves

16prescribedpoints

4parts

Elementparts:

INLET:

1

OUTLET:

1

PART_1:

39

WALLS:

10

Nothingtobeundone

Usingdefaulttopotolerance

NODE:

16

LINE_2:

725

TETRA_4:

581399

TRI_3:

19488

Elementparts:

CREATED_MATERIAL_7:

581399

INLET:

1385

OUTLET:

336

PART_1:

1433

WALLS:

17075

Totalelements:

601628

Totalnodes:

101916

Min:

-100-1000

Max:

100100700

Finishedcomputemesh

Min=0.376441,max=0.998888,mean=0.900508747901

600887elementswiththe"Quality"diagnostic

HistogramofQualityvalues

Min=0.376441,max=0.998888,mean=0.900508747901

600887elementswiththe"Quality"diagnostic

附录二；

ICEM生成四面体网格数据如下；

ICEMCFD14.0

Checkedoutansyslmdfeatureaienv（productANSYSICEMCFD）fromserver1055@PC201310061040

Customernumberis369792

Loadingprojectsettingsfile:

C:

/Users/Administrator/Desktop/simianti/1.prj...

ProjectdirectorychangedtoC:

/Users/Administrator/Desktop/simianti

Loadinggeometryfile"1.tin"

CurrentCoordinatesystemisglobal

Loadingdomain"1.uns"...

Loadingblockingfile"1.blk"

Warning:

creatingpartSOLID

2newO-gridindicesdefined

Loadingsolverparametersfrom1.par.

CurrentCoordinatesystemisglobal

Loadingattributedatafrom1.atr

loadingD:

/ProgramFiles/ANSYSInc/v140/icemcfd/win/icemcfd/output-interfaces/rampant.bcinfo

CurrentsolverisFluent_V6

SolverFluent_V6supportsunstructuredmesh.

CurrentCoordinatesystemisglobal

---GeometryInfo---

Unitsaremillimeters

11surfaces

24curves

16prescribedpoints

7parts

Elementparts:

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OUTLET:

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---MeshInfo---

Elementtypes:

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