流体与传热数值计算大作业

1.研究对象：冷、热水换热器

问题描述：一个冷、热水混合器的内部流动与

热量交换问题。温度为T=350k 的热水自上部的热水

小管嘴流入，与自下部右侧小管嘴流入的温度为290k

的冷水在混合器内部混合进行热量与动量交换后，自

下部左侧小管嘴流出。混合器结构如下图1-1所示。

输入条件：

热水温度T r =350K,热水入口速度v r =10m/s; 冷水温度T l =290K,冷水入口速度v l =10m/s; 图1.1 换热器简图

2.利用GAMBIT 建立计算模型

2.1创建混合器网格图

打开gambit ，选择fluent5/6求解器，首先在工

作区建立20*20的网格，再根据模型的几何尺寸要求

，确定出不同类型边界的交点及圆弧中心点。再由节

点逐步建立出混合器的壁面及各个小管嘴，最终建成

各个面，从而生成换热器的几何模型。

打开“mesh edges ”,选取边线，对各个线的内

部节点进行重新剖分。在“edges ”选中取边界线LA,

CD,FG,GH,KL,在“interval count ”中填入15，将各条

边分成15份。同样操作，其它边分成5分。完成上

述工作后，可查看网格划分情况，如图2.1所示： 图2-1 换热器网格图 A B C D E P Q S T F G H I U V

J

K L 热水入口混合后出口冷水入口3CM 20CM

2.2设置边界类型

如图1.1所示，这个换热器的边界主要

就是入口边界与出口边界需要设置，入口边

界有冷水入口ST与热水入口UV，出口边界

只有冷热水混合后出流口PQ，因此打开

”ZONES”中“Specify Boundary Type”对话框，

在“Action”项选add,创建名称“inlet1”，并

选择“velcocity inlet”类型，最后选取边界线

ST，点击Apply,这样就设置了ST的边界类型，

类似的操作，可设置边界UV和PQ的边界类

型分别为“inlet2”“outlet”。设置结果如图

2.2所示：图2.2边界类型设置对话框

至此保存，并选择File/Export/Mesh命令，选中Export 2D Mesh输出mixowwang.msh文件，该文件可直接有Fluent读入。

3.换热器内部流动与换热的仿真计算

3.1对网格进行处理

1）以二维单精度方式启动Fluent，读入网格文件mixowwang.msh，这样就完成了网格文件的输入操作。

2）选择Grid中Check,对网格进行检查，网格检查列出了x,y的最小值和最大值，也报告出了网格的其它特性，如单元的最大体积，最小体积，最大面积与最小面积等，同时网格检查还会报告有关网格的任何错误，若存在错误，fluent 将无法进行计算。

3）平滑网格。对网格进行平滑操作，可进一步确保网格质量。

4）确定长度的单位。由于进入Fluent 后，其默认的长度单位是m ，而在Gambit 下构建网格时使用的是cm ，所以要在Grid 中的Scale 中将网格的长度单位改为cm 。

3.2设置求解模型

选择非耦合（Segragated ）求解法，并使用隐式算法（Implicit ）,空间属性显然是二维，由于流体在换热器内的流动情况可以按稳态问题处理，所以时间属性为定常流动（Steady ）。采用绝对速度公式。

冷水与热水在换热器内混合形成湍流，计算时应当设置为湍流模型，这里选择k-ξ湍流模型。k-ξ双方程模型适合绝大多数的工程湍流模型，其中k 为湍动能，定义为速度波动的变化量，其单位是m 2/s 2。ξ为湍动能耗散，即指速度波动耗散的速度，其单位是单位时间的湍动能，m 2/s 3。

其控制方程如下：

连续方程：

()0t

U ρρ∂+∇•=∂ 动量方程：

()()()'t

T eff eff U U U U p U B ρρμμ∂+∇•⊗-∇•∇=∇•+∇•∇+∂ 湍动能方程：

()()t k k k Uk k p t ρμρμρξσ⎡⎤∂⎛⎫+∇•=∇•+∇+-⎢⎥ ⎪∂⎝⎭⎣⎦

湍动能耗散方程：

()()()12t

k U C P C t k ξξξρξμξρξμξρξσ⎡⎤⎛⎫∂+∇•=∇•+∇+-⎢⎥ ⎪ ⎪∂⎢⎥⎝⎭⎣⎦

并选择能量方程：

ððt (ρE )+ððx i [u i (ρE +p )]=ððx i (k eff ðT ðx i )−∑ℎj ′J j ′j

′+u j (τij )eff +S ℎ 连续方程：

()m S t

i U ρρ∂+∇•=∂ 动量方程：

∂∂t (ρU i )+∂∂x j (ρu i u j )=−∂p ∂x i +∂τij ∂c j

+ρg i +F i 其中 τij ={μ[∂u i ∂x j +∂u j ∂x i ]}−23μ∂u

l ∂x l δij 定解条件：

将边界条件（两个入口温度与流速）在fluent 中设置好了以后，对流场进行初始化，热水入口（inlet2）开始，对内部流动设置出一个猜测的初始值，然后进行迭代计算，如果迭代收敛，则表明定解，如果发散，则没有定解。

3.3设置流体物理属性及边界条件

1）创建新流体，取名为water 。并在属性栏内输入流体的各项物理参数：Density(密度)：1000；Cp （等压比热）：4216；Thermal Conductivity （导热系数）：0.667；Viscosity （动力粘度）：8e-4。点击Change/Create ，在弹出的对话框中选No ，这就使名为water 的流体添加到材料选择列表中。

2）设置边界条件。

1、设置流体。打开“Boundary Conditions ”，在区域标识栏（zone ）中选择流体（fluid ）,设置（set ）,并在Material Name 下拉列表中选择water.

2、设置冷（热）水入口边界条件。在zone 栏中选择inlet1，点击设置，在Velocity Specification Method （速度给定方式）下拉列表中选择Magnitude Normal to Boundary （给定速度大小，速度方向垂直边界）。在Velocity Magnitude （入口速度）输入10，在湍流定义方法中选择强度与水力直径，湍流强度一栏中走入5，