计算流体力学报告书

习题1.二维方腔驱动流
一.Re=100
在一个正方形的二维空腔中充满等密度的空气
由Re=ud/ν,又ν=1.789 ×10﹣5 m2/s，顶盖驱动流的速度u=3.0m/s，求得d=0.596mm，得腔每边长为l=0.596mm,即其顶板以3.0m/s的速度向右移动，同时带动方腔内流体的流动，流场内的流体为层流。

计算区域示意图如图1所示。

u=3.0m/s
图1 计算区域示意图
1.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0.766，在Direction中选择+X、+Y 。

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 count=150，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
2.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
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
3．网格比例设置
操作：Grid→Scale...
在Gambit中，生成网格使用的单位是mm，在Grid Was Created In下拉菜单中，选取mm，如图8所示，然后单击Scale，关闭对话框。

图8 网格尺寸设置对话框
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
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，选择二氧化碳。

图10 材料设置对话框
Step6：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1.0m/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）。

Step7：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。

操作：Define→Models→viscous model,选laminar模型。

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
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15迭代残差图
6.保存date文件
操作：Fil e→Write→Date...
计算收敛，保存Date文件。

3.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Velocity...和Stream Function；
（2）点击Display。

图16 等值线设置对话框
流函数等值线图如图17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17流函数等值线图
2．显示速度矢量图
操作：Display→Vectors...
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18速度矢量设置对话框
图19速度矢量图
3．显示压力等值线图
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Pressure和Static pressure；（2）点击Display。

图20 压力设置对话框
图21 压力等值线图
4.空腔中心线上的速度分量分布
（1）在Surface下拉列表中选择Iso-Surface；
（2）在Iso-Surface对话框中，Surface of Constant选择Grid/Y-Coordinate,单击Compute,这时在min和max将出现计算值，在Iso-Value框中输入0.383,在New Surface Name 中输入y=0.383,将创建水平中心线，同理可创建竖直中心线。

图22 Iso-Surface
Plot-XY plot,对话框设置如图：点击plot结果如图25
图23 Solution XY plot对话框
图24 水平中心线（y=0.383）上竖直速度分量(v)分布
V-x
同理可得竖直中心线（x=0.383）上水平速度分量（u）分布。

如图26.
图25 竖直中心线（x=0.383）上水平速度分量（u）分布
U-y
二.Re=1000 的物理模型
1. 物理模型
在一个正方形的二维空腔中充满等密度的空气
由Re=ud/ν,又ν=1.789 ×10﹣5m2/s，顶盖驱动流的速度u=3.0m/s，求得d=5.96mm,方腔每边长为l=5.96mm,即其顶板以3.0m/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。

l=5.96mm
图1 计算区域示意图
2.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25，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 count=100，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
3．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
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
3．网格比例设置
操作：Grid→Scale...
在Gambit中，生成网格使用的单位是mm，在Grid Was Created In下拉菜单中，选取mm，如图8所示，然后单击Scale，关闭对话框。

图8 网格尺寸设置对话框
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
设置求解器
操作：Define→Models→solve.
保留默认设置。

点击OK确认。

操作：Define→Models→viscous model,选k-epsilon模型。

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，选择二氧化碳。

图10 材料设置对话框
Step6：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1.0m/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）。

Step7：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...
计算收敛，保存Date文件。

4．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Velocity...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→Vectors...
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
3．显示压力等值线图
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Pressure和Static pressure；（2）点击Display。

图21 压力设置对话框
图22 压力等值线图
5.空腔中心线上的速度分量分布
（3）在Surface下拉列表中选择Iso-Surface；
（4）在Iso-Surface对话框中，Surface of Constant选择Grid/Y-Coordinate,单击Compute,这时在min和max将出现计算值，在Iso-Value框中输入0,在New Surface Name 中输入y=0,将创建水平中心线，同理可创建竖直中心线。

图23 Iso-Surface
Plot-XYplot,对话框设置如图：点击plot结果如图25
图24 Solution XY plot对话框
图25 水平中心线（y=0）上竖直速度分量(v)分布
V-x
同理可得竖直中心线（x=0）上水平速度分量（u）分布。

如图26.
图26 竖直中心线（x=0）上水平速度分量（u）分布
U-y
三.Re=10000 的物理模型
1. 物理模型
在一个正方形的二维空腔中充满等密度的空气
由Re=ud/ν,又ν=1.789 ×10﹣5m2/s，顶盖驱动流的速度u=3.0m/s，求得d=59.6mm,方腔每边长为l=59.6mm,即其顶板以3.0m/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。

u=3.0m/s
l=59.6mm
图1 计算区域示意图
2.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25，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 count=150，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
3．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
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
3．网格比例设置
操作：Grid→Scale...
在Gambit中，生成网格使用的单位是mm，在Grid Was Created In下拉菜单中，选取mm，如图8所示，然后单击Scale，关闭对话框。

图8 网格尺寸设置对话框
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
设置求解器
操作：Define→Models→solve.
保留默认设置。

点击OK确认。

操作：Define→Models→viscous model,选k-epsilon模型。

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，选择二氧化碳。

图10 材料设置对话框
Step6：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1.0m/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）。

Step7：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...
计算收敛，保存Date文件。

4．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Velocity...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→Vectors...
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
3．显示压力等值线图
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Pressure和Static pressure；
（2）点击Display。

图21 压力设置对话框
图22 压力等值线图
6.空腔中心线上的速度分量分布
（5）在Surface下拉列表中选择Iso-Surface；
（6）在Iso-Surface对话框中，Surface of Constant选择Grid/Y-Coordinate,
单击Compute,这时在min和max将出现计算值，在Iso-Value框中输入0,在New Surface Name 中输入y=0,将创建水平中心线，同理可创建竖直中心线。

图23 Iso-Surface
Plot-XYplot,对话框设置如图：点击plot结果如图25
图24 Solution XY plot对话框
图25 水平中心线（y=0）上竖直速度分量(v)分布
V-x
同理可得竖直中心线（x=0）上水平速度分量（u）分布。

如图26.
图26 竖直中心线（x=0）上水平速度分量（u）分布
U-y
习题二 三维弯管的局部损失数值模拟分析
1. 物理模型
取三维圆管管径d=80mm; L 1=10d=800mm; 取Rc=340mm L 2=5d=400mm ；
流体介质：水，其运动粘度系数，621.00610m /s ν-=⨯； 模型 Inlet ：流速入口，；u=5m/s ； Outlet ：自由出口； 雷诺数Re>5*105，紊流；
2.在Gambit 中建立模型
在Gambit 中建立模型的操作步骤如下：
(1) 创建管路
操作Geometry Volume
Create-Torus,打开创建圆环对话
框，如图2
图2 圆环画法
在Radius1 右侧输入圆环中线半径340
在Radius2 右侧输入圆环管道半径80
保留其它默认设置，点击Apply 得到圆环管道，如图三3
图3 圆环
（2）创建立方体
创建立方体是用来切割圆环。

操作：Geometry -V olume - Create brick ,d打开创建立方体的设置对话框，如图
在Width(X)右侧输入400
在Depth(Y)右侧输入400
在Height(Z)右侧输入400
在Direction项保留默认设置Centered
点击Apply
（3）移动立方体
操作：Geometry -V olume -
Move/Copy/Align打开体移动设置对话框，如图：
点击Volumes右侧黄色区域。

按住Shift键点击矩形体边线。

按住Global项X=200，Y=200，Z=0
保留其它默认设置，点击APPL Y
（4）创建弯头
操作：Geometry -V olume --Boolean Intersect,打开体布尔交运算对话框。

如图：
点击Volumes右侧黄色区域。

按住Shift键点击两个体边线。

点击APPL Y。

得到弯头。

如图
（5）建立直管段
（6）移动弯管直段
（7）整合弯管和直段
打开如图对话框，
(1) 按住Shift 键+鼠标左键选取弯管段和直段，不选Retain 键；
(2) 点击Apply 即完成合并实体。

至此，建模工作全部完成。

下面将进行网格划分。

(8)边界层设定
操作：Mesh / Boundary / Create Boundary Layer
如图所示。

对话框中各选项及其意义如下：
Algorithm 法则。

主要是指确定第一行边界层高度的方法。

Uniform 指所有的边界层的高度均等。

Aspect ratio based 为纵横比。

从第二层开始网格（长宽）相对于前一层的增长比例。

First percent 第一行的百分比。

Growth factor（b/a）增长比例。

Rows 边界层的行数。

Last percent 最后一行的百分比。

Internal continuity 内部连续性。

Wedge corner shape 楔形拐角的形状。

Transition pattern：传递模式。

Attachment：附件。

Edges 要生成边界层的边。

1.激活Aspect ratio based 选项，在First percent 中填入20；
2.在Growth factor（b/a）中填入1.2
3.Rows 中填入5；
st percent 中填入41.472（默认）
5.Transition pattern：选取1∶1；
6. 选取直管端端面或弯管端面均可，点击Apply 即生成边界层。

如图所示。

（9）划分面网格
操作:Mesh –Face- Mesh Faces
打开“Mesh Faces”对话框，如图
(1) 用Shift+鼠标左键选中上一步骤划完边界层的端面；
(2) 依次选中Scheme：Apply、Elements：Quad，Type：Pave，Spacing：Apply，在间隔尺寸里键入10；Options：Mesh、Remove old mesh；
(3) 点击Apply，即可生成端面网格，如图。

（10）体网格划分
操作：Mesh - Volumes -Mesh Volumes
如图所示，对话框中各选项及其意义同上步。

基本上保持默认，选择对象即可
网格划分
（11）定义边界类型
在本节中，边界类型有三种：进口、出口及固壁。

操作：Operation -Zones -Specify Boundary Type
(1) 激活Add 按钮，Type 选择WALL，Entity Faces，选择整个管道外壁，可用Shift+鼠标左键选取；
(2) 入口定义与第1 步类似，Type 选择VELOCITY INLET，Entity Faces 选择弯管端面，可用Shift+鼠标左键选取；
(3) 出口定义与第一步类似，Type 选择OUTFLOW，Entity Faces 选择Z 直管段端面，可用Shift+鼠标左键选取；
(4) 点击Apply 即可完成边界定义。

（12）输出网格文件
操作：菜单File-Export -Mesh
以上为GAMBIT 网格划分及边界条件的设定，下面将进入FLUNET 计算部分。

利用FLUENT-3D求解器进行模拟计算
第一步：启动FLUENT,进入3D模式
读取网格数据。

操作：：File- Read- Case，选择网格文件pipe.msh，点击OK 完成数据读入。

网格检查：Grid-Check；显示网格：Display,Grid
建立求解模型
保持Solver(求解器)设置不变
操作：Define-Models-Solver
打开“Solver”对话框，如下图
设置标准K-e湍流模型
操作：Define-Model-Viscous
打开“Viscous Model”对话框如图。

选择K-epsilon.
设置流体的物理属性
创建新流体，取名water。

操作：Define-Material…
打开“Mterial”对话框如图
点击Database…弹出“database Material”对话框，在Material Type下拉菜单选取fiuid, 在fluid Materials选择框中选择Water-liquid.即在设置水的属性即可。

设置边界条件
材料选择为设置好的水
冷水入口边界条件为
(1) 在Zone 栏中选择rukou，则在右边Type 栏内显示其类型为Velocity Inlet。

点击Set.，则打开“Velocity Inlet”设置对话框如图所示
入口的速度大小为5m/s
(2)出口的条件保持默认
（3）流体选择为水
求解控制
设置能量方程的二阶离散，降低松弛系数
求解
1、初始化流场
2、设置计算过程的残差和视图窗口
操作：Solver-Monitor-Residual…
打开“Residual Monitors”设置对话框，在Options栏选取Plot
3、存case文件
4、开始进行400次的迭代计算
5、保存data 文件，残差曲线如下图
6、
7、
8、
显示初步计算结果
操作;Display-Contours
打开“Contours”设置对话框如图
分别选取需要的计算可得
速度云图
Z=0静压云图
速度矢量图
该题所求的局部损失和二次流
1）其局部损失可以按入口和出口的总和压力差来计算。

操作：Report-Surface integrals…面积分设置对话框如图
可以看到起出入口的压力损失为下
弯管的局部阻力损失为6.23+2.46=4.35
局部阻力损失系数：4.35/（0.5*9800*10^2)=8.7e-6 2)二次流。