1、實驗十 冷熱水混合器內(nèi)的流動與熱交換模擬一、實驗?zāi)康?1熟悉Gambit和Fluent的用戶界面和操作； 2學(xué)會使用Gambit建模和劃分網(wǎng)格； 3學(xué)會使用Fluent求解器進行求解，并顯示計算結(jié)果二、實驗原理一個冷熱水混合器的內(nèi)部流動與熱量交換問題?；旌掀鞯拈L寬均為20cm，上部帶3cm的圓角，溫度為T=350K的熱水自上部的熱水管嘴流入，與下部右側(cè)的管嘴流入的溫度為290K的冷水再混合器內(nèi)進行熱量與動量交換后，自下部左側(cè)的小管嘴流出。三、實驗步驟1利用Gambit建立計算模型步驟 1：啟動 Gambit 軟件并建立新文件 啟動Gambit并且建立一個新的工程文件，文件名：mixer.dbs

2、2選擇求解器用菜單命令 Solver: FLUENT5/6選擇求解器為Fluent6.步驟 2：創(chuàng)立幾何圖形 3創(chuàng)立坐標(biāo)網(wǎng)格按照下列圖15創(chuàng)立坐標(biāo)網(wǎng)格，先創(chuàng)立X坐標(biāo)的網(wǎng)格，在第3步選擇X，完成4、5步驟后，再重復(fù)15步驟，在第3步選擇Y，最終得到XY從-10到10的坐標(biāo)網(wǎng)格。 發(fā)現(xiàn)工作區(qū)的網(wǎng)格顯示不完全，我們可以按右下角的工具按鈕，使工作區(qū)調(diào)整至顯示出整個網(wǎng)格。4確定不同類型邊界的交點和圓弧中心點Ctrl+鼠標(biāo)右鍵，在坐標(biāo)網(wǎng)格上如上圖所示，創(chuàng)立出所需要的各點。5復(fù)制點除了以上各點之外，每個小管嘴還需要外側(cè)的2個點，我們可以通過點的復(fù)制來創(chuàng)立各個小管嘴外側(cè)的點。按照下列圖15的步驟，執(zhí)行完第4步

3、時，用Shift+鼠標(biāo)左鍵選上所要復(fù)制的兩個點，在第6步輸入點要復(fù)制到的位置，上部管嘴外側(cè)的點是原來點Y方向上+3的位置。重復(fù)15步驟，創(chuàng)立下側(cè)的兩個小管嘴外側(cè)的點，下側(cè)小管嘴復(fù)制到在原來點Y方向上移動-3的位置。 復(fù)制完畢之后按按右下角的按鈕，使工作區(qū)調(diào)整至顯示整個網(wǎng)格如下：5隱藏坐標(biāo)網(wǎng)格顯示按照下列圖14將坐標(biāo)網(wǎng)格線隱藏，以便于后面的操作。6由點創(chuàng)立直線和圓弧線按照下列圖14步驟創(chuàng)立出一條直線，第3步Shift+鼠標(biāo)左鍵，選中直線兩段的點重復(fù)14步驟，創(chuàng)立出其他所需要的直線，最終結(jié)果如下列圖。需要注意的是創(chuàng)立的直線時要選取最近的點，而且各直線不能重疊，否那么在后面將線組成面的操作中，這些直

4、線不能構(gòu)成一個封閉的面。按下列圖17步驟分別創(chuàng)立混合器的兩段圓弧圓弧， 7由線組成面按下列圖，14步驟，將線組成面，其中第3步，用Shift+鼠標(biāo)左鍵，選中組成各面的線，組成面的各直線，必須能構(gòu)成一個封閉的空間。按照同樣方法重復(fù)14的步驟，第4不選擇小管嘴的各線，將組成小管嘴的三個矩形也組成面，這個我們得到了4個面如下：步驟 3：網(wǎng)格劃分 8劃分各面的網(wǎng)格劃分網(wǎng)格首先要將組成各面各線按照一定的方式劃分，按照右圖16步驟操作，第3步，用Shift+鼠標(biāo)左鍵選中需要劃分的直線。第4步，用鼠標(biāo)右鍵選那么劃分類型為interval count，即按照個數(shù)劃分。重復(fù)操作以上16步驟按照下列圖的數(shù)目，將一

5、個面的組成各線進行等分劃分。按照下列圖14步驟劃分出網(wǎng)格，第3步Shift+左鍵選中要劃分網(wǎng)格的面按照上述同樣的操作，將小管嘴矩形兩邊劃分成5等分，最后劃分網(wǎng)格如下。步驟 4：邊界條件類型的指定 9設(shè)置邊界類型按照右圖17步驟設(shè)置邊界類型注意：第3步要用鼠標(biāo)右鍵選Edges類型；第4步用Shift+鼠標(biāo)右鍵選中熱水進口管嘴的最外邊第5步要用鼠標(biāo)右鍵選中Velocity_inlet速度入口類型的邊界；第6步輸入入口的名字inlet1，然后按Apply按鈕增加一個入口。重復(fù)17步驟，在第4步選中冷水入口的邊，在第6步輸入名字inlet2，創(chuàng)立冷水入口inlet2。重復(fù)17步驟，在第4步選中混合水出

6、口的邊，第5步選中的邊界類型為Outflow，在第6步輸入名字outlet，創(chuàng)立出口邊界outlet步驟 6：網(wǎng)格文件的輸出 10導(dǎo)出網(wǎng)格文件用菜單明File:Export : Mesh，在彈出的對話框中輸入要導(dǎo)出網(wǎng)格文件的路徑和文件名后，按Accept按鈕，將網(wǎng)格文件導(dǎo)出最后用菜單命令File: Exit關(guān)閉Gambit回話，在退出之前，Gambit會問是否保存當(dāng)前的工程，點擊Yes將工程保存。2 用Fluent求解用Fluent求解包括導(dǎo)入和檢查網(wǎng)格、建立求解模型、設(shè)置邊界條件、求解、顯示計算結(jié)果等。步驟 1：網(wǎng)格文件的讀入、檢查及顯示 1網(wǎng)格的導(dǎo)入和檢查及有關(guān)操作啟動Fluent6后，在

7、以下窗口中選2D求解器，后按Run，進入Fluent。用菜單命令Flie: Read: Case，在翻開對話框中，指定到在Gambit中導(dǎo)出的網(wǎng)格文件e:examplemixer.msh，點擊OK后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent中。Fluent讀入網(wǎng)格文件“mixer.msh時，并菜單命令Grid: Check檢查網(wǎng)格。網(wǎng)格檢查列出了X,Y的最大和最小值，同時還報告了網(wǎng)格的其他特性，如單元格的最大體積、體積和最小體積、面積等，報告的最小體積不能為負(fù)值，否那么Fluent無法進行計算。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，可以用菜單命令Grid: Smooth/Swap平滑和交換網(wǎng)格。在彈出對話框中點擊Smooth

8、按鈕，再按Swap按鈕，重復(fù)操作，直到報告中無需要交換的面為止。No nodes moved, smoothing complete.Done.Number faces swapped: 0Number faces visited: 1520用菜單命令Grid: Scale確定長度單位，在彈出的對話框中將Grid Was Create in中選成cm，然后點擊Change Length Units 按鈕，最后點擊Scale按鈕，對話框顯示如下列圖，最后按Close按鈕關(guān)閉對話框。最后用菜單命令Display: Grid，在對話框中按Display按鈕，將網(wǎng)格顯示出來步驟 2：選擇計算模型 建立

9、求解模型，包括選擇求解器、設(shè)置湍流模型、選擇能量方程等步驟。選擇求解器：菜單命令Define: Models: Solver，對話框顯示如下：Solver 求解器分為Segregated別離和Coupled耦合兩種；Formulation算法有Implicit隱式算法和Explicit顯式算法兩種；Space空間屬性有2D二維空間和Asisymmetric軸對稱空間Axisymmetric Swirl軸對稱旋轉(zhuǎn)空間三種；Time時間屬性分為Steady定常流動和Unsteady非定常流動兩種；Velocity Formulation速度屬性有Absolute絕對和Relative相對兩種；保持

10、默認(rèn)設(shè)置不變，點擊OK關(guān)閉對話框。設(shè)置湍流模型：用菜單命令Define: Models: Viscous對話框顯示如下： Inviscid表示無粘理想流體；Laminar表示層流模型；另外4個為常見的湍流模型。在這里選擇k-epsilon后，按OK按鈕，將顯示對話框如下，點擊OK保持默認(rèn)值。選擇能量方程：菜單命令Define: Models: Energy，翻開對話框中，勾選上Energy Equation，并按確定按鈕。步驟 3：定義固體的物理性質(zhì)設(shè)置流體的物理屬性，可以從Fluent數(shù)據(jù)庫中選用，也可以新建一種新流體，并且輸入流體的密度、等壓比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、動力粘度等物理屬性。用菜單命令D

11、efine: Materials顯示Materials對話框如下：右側(cè)按鈕Fluent Database選取數(shù)據(jù)庫中的流體，對話框顯示如下：在選擇water-liquidH2O后，流體的各物理屬性顯示在下，按Copy按鈕，再按Close按鈕關(guān)閉該對話框，此時Materials對話框中已經(jīng)顯示出復(fù)制的流體。按Change/Create按鈕將材料設(shè)置為water-liquid后，按Close按鈕關(guān)閉Materials對話框.步驟 4：設(shè)置邊界條件 用菜單命令Define: Boundary Conditions翻開對話框如下，我們在Gambit設(shè)置的三個邊界類型inlet1、inlet2和Outl

12、et之外，還有fluid流體和壁wall這兩種邊界屬性。左側(cè)欄中選中fluid，右側(cè)類型中選fluid，按Set按鈕，流體對話框顯示如下，將Material Name選擇water-liquid這是我們剛剛設(shè)置流體屬性時，從Fluent材料庫中復(fù)制過來的流體，然后按OK按鈕。左側(cè)欄選上inlet1按鈕，發(fā)現(xiàn)右側(cè)類型欄中為Veloctiy Inlet，這是我們在Gambit下設(shè)置的類型，按Set按鈕，在彈出的對話框中按下列圖，設(shè)置該入口的邊界條件后按OK按鈕。用同樣的方法可以設(shè)置好outlet2的入口邊界條件，溫度為350K，其他與outlet相同。出口的邊界條件保持默認(rèn)值如下。壁面wall的邊

13、界條件保持默認(rèn)值熱流量為0即可。設(shè)置完邊界條件后，點擊邊界條件對話框上的Close按鈕將其關(guān)閉。步驟 5：求解設(shè)置 求解過程包括流場初始化、設(shè)置監(jiān)視器、迭代計算等步驟流場的初始化：菜單命令Solver: Initialize: Initialize，對話框顯示中，選擇從inlet2開始計算如下：點擊Init按鈕進行初始化之后，再點擊Close按鈕關(guān)閉該對話框。設(shè)置監(jiān)視窗口：在求解時，所關(guān)心的是出口的溫度、速度是否到達穩(wěn)定，為此Fluent可以設(shè)置監(jiān)視器，對所關(guān)心界面的物理量進行監(jiān)視。菜單命令Solver: Monitors: Surface，在監(jiān)視器對話框中設(shè)置如下列圖：將Surface Mo

14、nitors增加1之后，選上Plot，然后按Define按鈕，按照下列圖設(shè)置，在定義監(jiān)視器對話框，設(shè)置成監(jiān)視outlet的平均重量加權(quán)溫度，并且在窗口中顯示出來。以上設(shè)置完成之后，可以通過用菜單命令File: Write: Case將該工程保存。以后如果需要翻開該工程，可以通過菜單命令File: Read : Case將工程翻開用菜單命令Solver:Iterate，在顯示的對話框中將Number of Iterations迭代次數(shù)輸入300次，點擊Iterate開始計算。設(shè)置的監(jiān)視窗口顯示如下，在計算到約150次后出口截面上已經(jīng)到達穩(wěn)定狀態(tài)，計算完成。步驟 6：保存結(jié)果 用菜單命令File:

15、 Write: Case & Data，將工程和計算結(jié)果保存在一個文件夾中。如果以后再需要查看計算結(jié)果，用菜單命令File: Read: Case & Data就可以將工程的計算結(jié)果讀入后，用Display菜單命令將計算結(jié)果顯示出來。七、實驗結(jié)果處理 通過Display: Contours命令，翻開Contours對話框如下：在Contours of欄下選擇Temperure，按Display按鈕，那么溫度分布圖顯示如下，如果將Options中的Filled填充去掉，那么溫度分布圖入右圖顯示。 用同樣方法，可以顯示壓力分布圖和速度分布圖如下： 用菜單命令Display: Vel

16、ocity Vector，顯示速度矢量場，在彈出的對話框中按照如下選擇，并按Display按鈕得到用箭頭表示的速度矢量分布圖如下：此外，還可以創(chuàng)立出流口上的溫度分布XY圖。通過菜單命令Plot: XY Plot，在顯示的對話框中設(shè)置如下：其中Y軸的函數(shù)為溫度，Surface選上outlet，點擊Plot按鈕。得到出口的溫度XY分布圖如下：7二階離散化方法重新計算以上的求解計算使用的是是一階離散化方法。一般來說，其計算結(jié)果不如二姐離散化方法精度高，收斂性也不如二階離散化方法理想。下面介紹如何使用使用二姐離散化方法求解。用菜單命令Solve: Controls: Solution，翻開對話框如下，

17、在Discretization離散化方法下Energy能量項選Second Order Upwind，在Under-Relaxaztion Factors松弛系數(shù)項的Energy項，由1降為0.8，其他項不變，點擊OK。菜單命令Solve: Iterate，在Iterate設(shè)置對話框中將Number of Iterations項輸入200，點擊Iterate，開始計算，監(jiān)視窗口顯示如下，表示在迭代了150次左右時溫度到達穩(wěn)定。用菜單命令Display: Contours，顯示求解結(jié)果，顯示溫度分布圖，和原先的溫度分布圖比擬可以發(fā)現(xiàn)，求解結(jié)果已經(jīng)得到改善。8自適應(yīng)網(wǎng)格修改功能混合器中的熱交換計算

18、，還可以通過進一步修改網(wǎng)格，使其更適合于流動計算，到達更理想的擬合效果?？梢酝ㄟ^在現(xiàn)有計算的根底上，以溫度梯度為基點來改善網(wǎng)格。首先確定溫度梯度的范圍。用菜單命令Display: Contours在顯示的對話框中，將Options中的Node Values選項不選中，按Display按鈕，顯示出溫度分布圖如下：發(fā)現(xiàn)各單元間邊界不光滑了，在準(zhǔn)備改良網(wǎng)格時，應(yīng)該先看一下單元的值，可以看出要進行改良的區(qū)域。在Contours of下拉列表中，選擇Adaption和Adaption Function，在Options項不選擇Node Value，點擊Display，得到溫度梯度顯示圖如下：在Optio

19、ns不選擇Auto Range，改版最小溫度梯度值，將Min設(shè)置為0.01，點擊Display，顯示出需要改良的高溫度梯度的網(wǎng)格如下，這局部網(wǎng)格是我們需要改良的網(wǎng)格。用菜單命令A(yù)dapt: Gradient翻開對話框，在Gradient of 下來框中選中Temperature和Static Tempreature；在Option中不選Coarsen，即只細(xì)化修改網(wǎng)格而不粗糙化。點擊Compute，F(xiàn)luent將計算出溫度梯度的最大值和最小值，在Refine Threhold中輸入0.01，點擊Mark。 顯示即將細(xì)化的網(wǎng)格有82個：82 cells marked for refinement, 0 cells marked for coarsening點擊Manage，在翻開的單元注冊對話框Manage Adaption Registers點擊Display。準(zhǔn)