顶盖驱动流数值模拟分析

《数值传热学》作业：
顶
盖
驱
动
流
数
值
模
拟
分
析
西安科技大学能源学院安全技术及工程
申敬杰201112612
顶盖驱动流数值模拟分析
顶盖驱动流作为经典的数值计算模型，常常用来考核源程序和计算思想的正确性。

这种流动边界条件简单，而且不涉及模型的影响，便于直接评价差分格式的性能。

1.引言
数值传热学，又称计算传热学，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法，通过计算机求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。

数值传热学的基本思想是把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场，温度场，浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程（称为离散方程）。

求解所建立起来的代数方程已获得求解变量的近似值。

由于实验方法或分析方法在处理复杂的流动与换热问题时，受到较大的限制，例如问题的复杂性，即无法做分析解，也因为费用的昂贵而无力进行实验测定，而数值计算的方法正具有成本较低和能模拟复杂或较理想的过程等优点，数值传热学得到了飞速的发展。

特别是近年来，计算机硬件工业的发展更为数值传热学提供了坚实的物质基础，使数值模拟对流动与传热过程的研究发挥了重要的作用。

目前，比较著名的数值模拟分析应用软件有FLUENT、CFX、STAR-CD、和PHOENICS等，而FLUENT是国内外比较流行的商用CFD软件包，该软件以其市场占有率高、计算准确、界面友好、使用简单、应用领域广、物理模型多而获得较高的市场占有率和用户的肯定。

2.物理模型
在一个正方形的二维空腔中充满等密度的空气，方腔每边长为0.12m，取雷
诺数为Re=12000，由Re=vd/υ，方腔的当量直径d ，计算知d=0.12m，又υ=15.7 ×10 ﹣6m2/s，则顶盖驱动流的速度v=1.57m/s，即其顶板以1.57m/s的
速度向右移动，同时带动方腔内流体的流动，流场内的流体为紊流。

计算区域示意图如图1所示。

v=1.57m/s
L=0.12m
图1 计算区域示意图
3.在Gambit中建立模型
在Gambit中建立模型的操作步骤如下：
Step1：启动Gambit并选择求解器为Fluent5/6。

Step2：创建面
操作：→→
打开对话框如图2所示。

输入长度和宽度12，在Direction中选择XY Centered。

图2 创建面设置对话框
Step3：划分面网格
操作：→→
打开对话框如图3所示，Shift+鼠标左键选择正方形面，Internal size=0.5，其它保留默认，点击Apply确认。

划分后的网格如图4所示。

图3 网格划分设置对话框图4 计算区域网格图
Step4：设置边界类型
操作：→
●在Name栏输入边界名称wall-1，将Type栏选为Wall，在Entity栏选取
Edges，并选中方腔顶部边线。

●在Name栏输入边界名称wall-2，将Type栏选为Wall，在Entity栏选取
Edges，并选中方腔其它三条边线。

Step5：输出网格文件
操作：Fil m→export→mesh
打开对话框如图5所示，选中Export 2-D mesh 前面的复选框，输出网格文件。

图5 网格文件输出对话框
4.求解计算
求解计算的操作步骤如下：
Step1：启动Fluent
选择2d单精度求解器，点击Run，如图6所示。

Step2：设置Fluent运算模式
操作：define→models→viscous models...设置如图7所示：
图6 启动求解器图7 设置运算模式
图8 网格尺寸设置对话框
Step3：导入并检查网格
1．读入网格文件
操作：Fil e→Read→Case...
找到文件后，单击OK按键确认。

2．检查网格
操作：Grid→Check
网格读入后，一定要进行网格检查，注意最小体积不能为负值。

3．网格比例设置
操作：Grid→Scale...
在Gambit中，生成网格使用的单位是cm，在Grid Was Created In下拉菜单中，选取cm，如图8所示，然后单击Scale，关闭对话框。

4．显示网格
操作：Display→Grid...如下图所示：
图9显示生成网格
Step4：选择计算模型
1．设置求解器
操作：Define→Models→solve...
保留默认设置。

点击OK确认。

Step5：定义流体材料性质
操作：Define→Materials...
打开对话框如图10所示，在该对话框中可定义材料的物理属性，也可以从材料数据库中选择其它材料，或者创建新的材料。

在本例中，只要选择空气就可以了，在定义空气的物理性质进行一些调整。

（1）将Density的值改为1；
（2）将Viscosity中的值改为2e-05；
（3）点击Change/Create，然后关闭对话框。

图10 材料设置对话框
Step5：设置边界条件
操作：Define→Boundary Conditions...
打开“Boundary Conditions”设置对话框如图11所示。

图11 边界选择对话框
1.设置顶部壁面的边界条件
在Zone下面选择wall-1，它对应的边界条件类型为Wall，然后单击Set按键，打开wall-1边界条件设置的对话框如图12所示。

（1）在Wall Motion中选择Moving Wall，这样就可以把顶部壁面设置为运动的；
（2）在Speed中输入速度的大小1.57m/s；
（3）保留其它的默认设置；
（4）点击OK确认。

图12顶部壁面设置对话框
2.保留其它边界的默认设置（默认其它三面为静止壁面）。

Step6：求解方法的设置及其控制
1．求解参数的设置
操作：Solve→Controls→Solution...
本例只需保持默认的求解参数设置即可。

2．打开残差图
操作：Solve→Monitors→Residual...
打开残差设置对话框如图13所示，选择Option下面的Plot，计算时将动态的显示残差曲线。

保留其它默认设置，点击OK确认。

图13残差设置对话框
3．流场初始化
操作：Solve→Initialize→Initialize...
打开初始化对话框如图14所示，依次点击Init、Apply和Close按键即可。

图14 初始化对话框图15迭代设置对话框4．保存case文件
操作：Fil e→Write→Case...
5.开始迭代
操作：Solve→Iterate...
打开对话框如图15所示，在Number of Iteration（迭代次数）栏内输入500；
点击Iterate开始计算，计算生成的迭代残差图如图16所示。

图16迭代残差图
6.保存date文件
操作：Fil e→Write→Date...
迭代大概360次后，计算收敛，保存Date文件。

5.计算结果
计算收敛后，可对结果进行查看。

1.显示流函数等值线图
操作：Display→Contour...
打开对话框如图17所示。

（1）在Contour Of下拉列表中选择V elocity...和Stream Function；
（2）点击Display。

图17 等值线设置对话框
流函数等值线图如图18所示，图示结果表明，靠近上边界等值线较密，红色表示流函数值较大，靠近下边界流函数线较疏。

图18流函数等值线图
2．显示速度矢量图
操作：Display→V ectors...
打开“Vectors”设置对话框如图19所示。

保留默认设置，点击Display。

速度矢量如图20所示。

从图中可以看出，方腔内的流体随着顶盖的移动而发生了运动。

图示结果表明流体流动方向，中心形成漩涡。

图19速度矢量设置对话框
图20 速度矢量图。