fluent的一个实例(波浪管道的内部流动模拟)

基于FLUENT的波浪管道热传递耦合模拟CFD可以对热传递耦合的流体流动进行模拟。CFD模拟可以观察到管道内部的流动行为和热传递，这样可以改进波浪壁面复杂通道几何形状中的热传递。目的：

（1）创建由足够数量的完整波浪组成的波浪管道，提供充分发展条件；（2）应用周期性边界条件创建波浪通道的一部分；

（3）研究不同湍流模型以及壁面函数对求解的影响；

（4）采用固定表面温度以及固定表面热流量条件，确定雷诺数与热特性之间的关系。

问题的描述：

通道由重复部分构成，每一部分由顶部的直面和底部的正弦曲面构成，如图。

图1 管道模型

空气的流动特性如下：

质量流量：m=0.816kg/s;

密度: ρ=1kg/m3;

动力粘度：μ=0.0001kg/(m·s);

流动温度：Tb=300K；

流体其他热特性选择默认项。

流动初试条件：

x 方向的速度=0.816m/s ； 湍动能=1m 2/s 2;

湍流耗散率=1×105m 2/s 3。

所有湍流模型中均采用增强壁面处理。

操作过程：

一、 完整波浪管道模型的数值模拟

（1） 计算

Re=uH/v=0.816×1/ (0.0001/1) =8160

Cf/2=0.0359Re -0.2=0.0359× (8160)-0.2=0.0059259

0628.00059259.0816.02

=⨯==f t C u u

y +=u t y/v y=0.00159 （2） 创建网格

本例为波浪形管道，管道壁面为我们所感兴趣的地方所以要局部细化。入口和出口处的边界网格设置如图。

图2 边网格

生成面网格

图3 管道网格

（3）运用Fluent进行计算

本例涉及热传递耦合，所以在fluent中启动能量方程，如图。

图4 能量方程

设定条件，湍流模型选择标准k-e模型，近壁面处理选择增强壁面处理。

图5 湍流模型

设定材料，密度为1，动力粘度改为0.0001如图。

图6 材料设定

设定边界条件，入口速度为0.816，湍动能为1，湍流耗散率为100000。出口为自由出口，壁面温度为固定温度分别为300k，500k。

图7 边界条件初始化，并计算。

图8 残差

残差中的e和k并没有减小，没有达到10-3一下，并且由于网格很大，计算时间很长。

图9 压力分布图

随着流体流动，管道中压力分布趋于平稳，波浪管道中波谷的压力最低，在入口处的压力较高。

图10 速度分布图

从图中可以看出，在管道7-11个波浪处，流动已经充分发展，贴近上壁处速度最大，在波谷出的速度最小，甚至接近于零。

图11 温度分布图

贴近波浪壁面出的温度较高，流动充分发展后，由于换热作用，管道后部流体温度逐渐升高，在波峰与波谷之间的流体温度最高，如图。

图12 速度矢量图

可以看出，波浪壁面出流体出现反流，在波谷出反流的流体最多，速度在波谷出最小，接近于0，出现滞留区。

若要观察波峰、波谷处流体流动速度，需要在波峰、波谷处创建两条直线，观察直线上的速度。因为管道7-11节处流动充分发展，所以在第十一节波峰、波谷处建立两条直线，如图。

图13 波峰、波谷

图14 波峰、波谷的速度

波峰贴近两侧壁面出的速度梯度很大，在管道中间速度随高度增加而增加，在0.7m左右达到最大。波谷处靠近上壁面的速度梯度很大，但是由于有波谷存

在，波谷处的速度梯度不大，在谷中速度先增大再减小，在0处左右达到最下，随后逐渐增加，在0.7m高度左右速度最大。高度在0.5m处以上波峰波谷处的速度基本相等。

二、周期性波浪管道模型的数值模拟

图15 周期性网格

网格密度与完全管道网格相同。

在fluent中输入以下指令，创建周期性网格。

/grid> modify-zones

/grid/modify-zones> make-periodic

Periodic zone [()] inlet

Shadow zone [()] outlet

Rotational periodic? (if no, translational) [yes] no

Create periodic zones? [yes] yes

Auto detect translation vector? [yes] yes

computed translation deltas: 1.000000 0.000000

all 100 faces matched for zones 6 and 5.

zone 5 deleted

created periodic zones.

/grid/modify-zones>

边界条件中可以看到已经没有outlet，inlet也变成了periodic周期性的。这里要设置周期性边界条件。质量流量为0.816，其他设置与之前相同。

图16 边界条件

图17 残差

Energy并不收敛，反而随计算而发散。其他参数都收敛。计算量很小，计算速度明显提高。

图18 压力图

图18 压力图速度图温度图速度矢量图

管道中间压力最大并比较均匀，在波浪波谷出压力最低。温度分布不太正确。

图19 波峰波谷速度图

波峰贴近两侧壁面出的速度梯度很大，与完全模型相似，波峰在管道中间速度随高度增加先增加在减小，但是变化不大，其他分布趋势与完全模型相似。