fluent背向台阶CFD模拟

基于ANSYS-FLUENT的背向台阶CFD模拟

背向台阶作为一种标准装置，常用来验证流动循环、流动黏着等流动特性以及测试各种模型和方法。

目的：

（1）应用GAMIBIT网格生成软件，学习网格生成和导出过程。

（2）应用ANSYS-FLUENT软件，学习边界条件的设定和计算模型的选择。（3）探究CFD软件的后处理方法。

问题的描述

通过下面给出的后向台阶具体条件，计算其中的层流流动。按入口速度进行无量纲化后处理后得到的流动条件为：

入口速度：u x=1，u y=0；

流动特性：密度：ρ=1；

动力粘度：μ=1/Re。

出口边界定义为流出条件，其他计算边界采用无滑移条件。流动中忽略湍流，并且没有热量传递。

操作过程

（1）生成网格

启动GAMBIT，在Solver菜单下选择FLUENT 5/6，对后向台阶创建网格，采用结构化网格在没有进行网格细化的情况下绘制3种不同密度的网格，如图1。

(a)

(b)

(c)

图1 未细化的网格

第二种网格数为第一种的4被，第三个网格数目为第一种的16倍。因为背向台阶内流动变化最剧烈的是在台阶位置，我们也主要研究在台阶处的流动，所以，可以对台阶处的局部网格进行细化，使台阶附近的网格密度为其它区域的4被，建立两种细化网格，如图2。

(d)

(e)

图2 台阶处细化的网格

网格生成后，定义个边界，入口inlet定义为VELOCITY_INLET，出口outlet 定义为OUTFLOW，其它bottom1，bottom2，top以及wall定义为W ALL，如图3。

图3 定义边界

至此，网格已经制作完成，保存，并输出2d mesh网格。

（2）用ANSYS-FLUENT进行模拟计算

首先在相同的条件下分别对五种网格进行计算，并比较结果。

启动FLUENT，2d为二维单精度，2ddp为二维双精度，此例选择2d即可。

在FLIE菜单下，选择read-case，读取网格文件。

在Grid菜单下，选择check，检查后，网格无错误，可以应用。

在define菜单下，选择计算方法和湍流模型，本例选择默认，如图4。

图4 湍流模型

选择材料，编辑材料属性，材料名称命名为fluid，密度设置为1，粘度为

0.01，如图。

图5 定义材料

定义边界条件，在选择Boundary Conditions，入口inlet定义为速度入口，速度定义方式为components，x方向速度设为1，y轴方向速度为0。出口outlet

定义为outflow，如图。其他条件设为默认。

图6 入口边界条件

图7 出口边界条件

在solve菜单下，选择initialization，对计算初始化，选择从入口inlet开始。

图8 初始化

再定义精度为0.0001，定义好条件以后，选择计算次数就可以进行计算了。在雷诺数都为100的条件下分别计对五种网格进行模拟，计算过程，以及得出的压力分布图，速度分布图，速度矢量分布图和散点图，分别如图所示。

(a) (b)

(c)(d)

(e)

图9 残差图（a、b、c、d、e分别为五种网格下的计算残差图）计算次数分别为：a为50次，b为95次，c为180次，d为70次，e为140

次。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

图10 压力分布图

a、b、c相比随着网格密度的正大，流体压力分布更连续更均匀，a与d，b、c与e相比变化不明显。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

图11 速度数值分布图

a、b、c图虽然网格密度增大，但是速度分布大致相同，只是在入口和出口处的分布网格密度大时更精确，a中台阶处速度均匀分布，b、c中可以看出在台阶处有一椭圆形区域，猜测为在该处产生漩涡，液体滞留在其内部，b、c的速度分布差别不大。再与d、e比较，e和c的分布大致相同。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

图12 速度矢量分布图

在网格比较稀疏的时候，台阶区域速度无法描述出来，随着网格密度的增加，台阶区域的速度分布越来越精确，可以明显的看出有漩涡产生，随网格密度增加重附着点位置越来越靠后，但是变化越来越小。在台阶区域细化后，在减少计算量的情况下同样可以很好的描述台阶区域的速度分布，与未细化的网格相比，细化的网格计算减少了25次和40次，但是计算结果相差不大。

图13 散点图（网格密度逐渐增加）

经过比较上述结果可以得到独立性网格，本例选网格(e)作为独立性网格。（3）对于网格(e)，计算雷诺数分别为50、150、200时的流动结果。

雷诺数分别为50、150、200的速度对应为0.5、1.5、2，只需修改入口速度。

图14 设定不同雷诺数的速度

将雷诺数为100的结果放入计算结果中比较。

(a)

(b)

(c)

(d)

图15 压力分布图

雷诺数越大，速度越快，在台阶区域的压力越小，并且较小压力的区域越大，压力分布越不均匀，出口处的压力变大。压力最小处在台阶位置，在入口处压力最大。

(a)

(b)

(c)

(d)

图16 速度数值分布图

雷诺数越大，随着随度的增加，台阶处漩涡范围增加，台阶区域的液体的最小速度变大，在入口和出口处形成稳定流动所需要的区域更大。在壁面出液体速度梯度增大。速度矢量图也可得到相似的结果。在台阶上部流体的速度最大，这与该处液体的压力最小相符合，符合能量守恒。

(a)

(b)

(c)

(d)