基于FLUENT的混合器内部流场数值模拟.pdf

术的一个重要组成部分， 是促进 CFD 工程使用化的一 个重要因素。网格生成过程就是把一个给定的区域(或 几何体)分解成有限单元， 以便使偏微分方程有较好的 网格生成是连接几何模型和数值算法的纽带， 数值解。 几何模型只有被划分成一定标准的网格时才能对其进 行数值求解， 网格划分越细， 得到的结果就越精确， 但 耗时就越多。 由此可以看出， 网格生成是进行数值计算 的第一步， 有着极其重要的地位。 本文研究了不同结构混合器，以进水口直径不同 时的模型为例来进行模拟仿真。 其进、 出口管径分别为 2、 4 mm，混合器直径为 20 mm，高度为 8 mm。利用 GAMBIT 建立混合器的几何模型，利用 TGrid 程序对 整体进行网格划分 （采用四面体网格 ） 。 划分好网格后， 检查网格的划分情况。图 1 是以进、出水口直径为 2 mm 为例来说明网格划分， 直径为 4 mm 模型的划分思 路一样[3]。
Scolod Rcsiduals
Dec10,2009 FLUENT 6.2(3d,segregated,skc)
图 2 r =1 时残差图
Residuals —continuity —x-velocity —y-velocity —z-velocity —energy —k —epsilon
Y Z X
i k K b m j t 2 ε 1e K 3e b 2e e j k
图 1 网格划分示意图
2.3 设置边界条件 入口边界： 混合器入口速度可以认为是均匀分布 的， 分析的流体是稳态不可压缩的水。 冷水入口速度大 小 1 m/s， 温度 280 K， 热水入口速度大小 1 m/s， 温度 （3 ） （4 ） 320 K， 冷热水入水口的湍动能 k 和湍能耗散系数 ε 分 别按 5%的湍流强度和 2 mm 水力直径计算确定。 出口边界： 由于系统背压的存在， 对于流出区域， 采用压力形式边界。压力边界值设置为 P=1.3×105 Pa， 即表压设为 0 Pa。 壁面条件： 固体壁面上采用无滑移条件[4]。
2 控制方程和数值模拟
2.1 控制方程与标准 k-ε 湍流模型 本文主要分析冷水和热水分别自混合器的两侧沿 水平切线方向流入，在容器内混合后经过下部渐缩管 道流入等径的出流管， 最后流入大气。 不可压缩流体的连续性方程在空间直角坐标系中 的表达式为： vx + vy + vz =0 x y z 坐标系中的表达式为： x- 1 ρ y- 1 ρ z- 1 ρ （1 ）
3.20e+02 3.19e+02 3.17e+02 3.16e+02 3.15e+02 3.13e+02 3.12e+02 3.11e+02 3.09e+02 3.08e+02 3.07e+02 3.05e+02 3.04e+02 3.03e+02 3.01e+02 3.00e+02 2.99e+02 2.97e+02 2.96e+02 2.95e+02 2.93e+02 2.92e+02 2.91e+02 2.89e+02 2.88e+02 2.87e+02 2.85e+02 2.84e+02 2.83e+02 2.81e+02 2.80e+02
1 FLUENT 软件简介
FLUENT 是美国 FLUENT 公司开发的集流场 、 燃 烧和热 、 质量传输以及化学反应于一体的商业 CFD 软件, 也是目前国内外使用最多、最流行的商业软件 之一[1]。自其上市以来 , 在全球众多的 CFD 软件开发 研究厂商中 , FLUENT 软件占有最大的市场份额 。 独 特的优点使 FLUENT 在水利船舶 、 材料加工 、 燃料电 池、 航空航天 、 旋转机械 、 噪声污染 、 核能与动力等方 面均有广泛应用[2]。 FLUENT 软件的最大特点是具有专门几何模型制 作软件 Gambit 模块 , 并可以与 CAD 连接使用 , 同时备 有很多附加条件和附加方程添加接口，使用了目前较 先进的离散技术和计算精度控制技术,如多层网格法、 快速收敛准则以及光滑残差法等, 数学模型的离散化 和软件计算方法处理较为得当。实际应用中发现,该软 件在模拟单相流动或进出口同向或反向流动时，可以 得到较好的模拟计算结果 , 且具有一定的计算精度 。
1c+04 1c+02 1c+00 1c-02 1c-04 1c-06 1c-08 0 20 40 60 lterations 80 100 120 140
Y Z X
Contours of Static Temperature(k)
Dec 02,2009 FLUENT 6.2(3d,segregated,ske)
软件的标准 k-ε 湍流模型对冷热水混合器进行三维数值模拟， 分析其内部流场变化情况。通过模拟， 能 真实反映混合器内部的复杂流动， 为混合器的设计和改进提供理论依据。 关键ຫໍສະໝຸດ Baidu： CFD； FLUENT； 冷热水混合器； 标准 k-ε 湍流模型
中图分类号： TP273 文章标识码： A 文章编号： 1005-8265 （2010 ） 01-0026-04
引言
工程热水恒温混合器，是为适应中央热水工程向 大型化、 自动化和人性化发展的技术要求而研发的， 是 为太阳能热水工程和各种生活热水供水系统专门配套 广泛适用于宾馆、 的一种全自动洗浴水恒温控制设备。 饭店、 学校、 医院、 厂矿、 机关及洗浴中心 、 游泳池等大 由于混合器的广泛应用， 混合器 中小型生活热水系统。 内的各个流场也受到内流研究者的广泛关注。
收稿日期： 2010-01-04 作者简介： 文媛媛 （1986） ， 女， 研究生， E-mail： yh_wyy2006@sina.com.
2010 Vol.20 No.1
过滤与分离 Journal of Filtration & Separation
· 27 ·
象， 采用数值解法 , 以期在计算速度 、 稳定性和精度等 方面达到优化组合, 从而高效地解决各个领域的复杂 流动计算问题, 模拟流动、传热和化学反应等物理现 象。
2010 Vol.20 No.1
时达到收敛,当入水口半径增大到 2 mm 时， 模型在迭 代 108 次时就达到收敛。各自的计算残差图如图 2、 3 所示。
Residuals —continuity —x-velocity —y-velocity —z-velocity —energy —k —epsilon
· 26 ·
过滤与分离 Journal of Filtration & Separation
2010 Vol.20 No.1
基于 FLUENT 的混合器内部流场数值模拟
文媛媛
（武汉理工大学 汽车学院， 湖北 武汉 430070 ）
摘
要：介绍了 FLUENT 软件的主要特点及其在冷热水混合器内的应用情况。通过使用 FLUENT
式中： GK 为由于平均速度梯度引起的湍动能， Gb 为由于浮力引起的湍动能， Ym 为可压缩湍流脉动膨胀 对总耗散率的影响。 湍流黏性系数: μt=ρCμ k ε
2
（5 ）
3 计算结果与分析
笔者采用标准壁面函数、分离隐式求解器进行模 拟。进口条件湍流模型 k 和 ε 的指定采用湍流强度与 水力直径。 在求解中分别选用标准 k-ε 模型,模拟计算 三维冷热水混合器内部液体流动状况。 结果显示， 入水 口半径为 1 mm 时，标准 k-ε 湍流模型在 158 次迭代
在 FLUENT 中，作为默认值常数， C1ε =1.44， C2ε = 1.92， C3ε=0.09，湍动能 k 与耗散率 ε 的湍流普朗特数 分别为 σk=1.0， σε =1. 3[2]。 2.2 几何模型和网格划分 计算网格生成是计算流体力学和其他数值模拟技
· 28 ·
过滤与分离 Journal of Filtration & Separation
3.20e+02 3.19e+02 3.17e+02 3.16e+02 3.15e+02 3.13e+02 3.12e+02 3.11e+02 3.09e+02 3.08e+02 3.07e+02 3.05e+02 3.04e+02 3.03e+02 3.01e+02 3.00e+02 2.99e+02 2.97e+02 2.96e+02 2.95e+02 2.93e+02 2.92e+02 2.91e+02 2.89e+02 2.88e+02 2.87e+02 2.85e+02 2.84e+02 2.83e+02 2.81e+02 2.80e+02
（2 ）
z
上述方程(2) 再加上连续性方程(1) 原则上就可以 求得不可压缩黏性流体流场的解。 但由于 N-S 方程中 出现了速度的二阶导数, 它的普遍解在数学上还有困 难,只有某些特殊情况才能使方程得到充分简化 ,求出 近似解。 由于此流场处于湍流状态 , 因此采用标准的 k-ε 方程模型 。 标准 k-ε 方程模型的湍动能 k 和耗散率 ε 方程如下： (ρk) + (ρkvi) = t xi xj σε (ρε)+ (ρεvi) = xi xk μ+ μ 2 k 2 +G +G -ρε-Y +S 2 2 σ x μ + μ 2ε 2 +C ε (G +C G )-C ρ ε +S 2 2 σ x k k
图 5 r =2 入流口平面温度分布
3.20e+02 3.19e+02 3.17e+02 3.16e+02 3.15e+02 3.13e+02 3.12e+02 3.11e+02 3.09e+02 3.08e+02 3.07e+02 3.05e+02 3.04e+02 3.03e+02 3.01e+02 3.00e+02 2.99e+02 2.97e+02 2.96e+02 2.95e+02 2.93e+02 2.92e+02 2.91e+02 2.89e+02 2.88e+02 2.87e+02 2.85e+02 2.84e+02 2.83e+02 2.81e+02 2.80e+02
1c+04 1c+02 1c+00 1c-02 1c-04 1c-06 1c-08 0 20 40 60 lterations 80 100 120
Contours of Static Temperature(k)
Dec 02,2009 FLUENT 6.2(3d,segregated,ske)
图 6 r =1 壁面上温度分布
对于不可压缩黏性流体的 N-S 方程, 在空间直角
2 p +η v 2x y p +η v 2x z
p +η x
2 2 2
vx + 2vy + 2vz = dvx x2 y2 z2 dt
x 2 2 2 + v2y + v2z y z 2 2 + v2y + v2z y z y
x 2
2 = dv 2 dt = dv 2 dt
FLUENT 软件包主要具有常用的 6 种湍流数学模型 、 辐射数学模型、 化学物质反应和传递流动模型、 污染物 相变模型、 离散相模型、 多相模型、 流团移 质形成模型、 动模型、 多孔介质、 多孔泵模型等。 FLUENT 软 件 的 核 心 部 分 是 纳 维 —斯 托 克 斯 ( Navier-Stokes)方程组的求解模块。用压力校正法作为 SIMPLEC、 低速不可压流动的计算方法 ,包括 SIMPLE、 PISO 三种算法，采用有限体积法离散方程, 其计算精 度和稳定性都要优于传统编程中使用的有限差分法 。 而对可压缩流动采用耦合法, 即将连续性方程、 动量方 程以及能量方程联立求解。FLUENT 软件主要由前处 求解器以及后处理 3 大模块组成。 采用自行研发的 理、 GAMBIT 前处理软件来建立几何形状及生成网格 , 然 后由 FLUENT 进行求解。 FLUENT 软件主要包括一下几个部分： ⑴ FLUENT6.0—基于非结构化网格的通用 CFD 求解器，是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩 流流场问题的软件； ⑵ GAMBIT—面向 CFD 的几何建模和网格生成 软件, 目前是 CFD 分析中最好的前置处理器； ⑶ FIDAP—基于有限元方法的通用 CFD 求解器； ⑷ prePDF—用于模拟 PDF 燃烧过程； ⑸ TGrid—专用的网格生成软件。 从以上介绍中可以看出， FLUENT 软件可用于求 解在复杂物理结构下的流体运动及热传输问题。其基 于 CFD 软件群的思想，针对各种复杂流动的物理现