[计算机软件及应用]Fluent上机指导.doc

Fluent上机指导1 实验目的 （1）熟悉Gambit和Fluent的用户界面和操作； （2）学会使用Gambit建模和划分网格； （3）学会使用Fluent求解器进行求解，并显示计算结果2 操作过程2.1 问题描述：一个冷热水混合器的内部流动与热量交换问题。混合器的长宽均为20cm，上部带3cm的圆角，温度为T=350K的热水自上部的热水管嘴流入，与下部右侧的管嘴流入的温度为290K的冷水再混合器内进行热量与动量交换后，自下部左侧的小管嘴流出。2.2 利用Gambit建立计算模型（1）启动Gambit并且建立一个新的项目文件启动Gambit：在命令提示符中输入Gambit后并且回车，Gambit界面如下图所示：图中的右边上半部为建模工作区，下半部为屏幕显示工作区。当鼠标指向工具栏中的图标时，说表说明区将显示该图标的作用的简单介绍。当执行了某一操作后，命令和命令执行结果以及相关提示将在命令反馈区中显示。通过菜单命令File:New，在弹出窗口的ID中输入带路径的文件名，如：d:examplemixer，点击Accept按钮，建立一个新的项目文件。由于Gambit是在Unix模拟器下运行的软件，必须要确保输入的路径已经存在，否则项目不能被创建。（2）选择求解器用菜单命令 Solver: FLUENT5/6选择求解器为Fluent6.（3）创建坐标网格按照下图15创建坐标网格，先创建X坐标的网格，在第3步选择X，完成4、5步骤后，再重复15步骤，在第3步选择Y，最终得到XY从-10到10的坐标网格。 发现工作区的网格显示不完全，我们可以按右下角的工具按钮，使工作区调整至显示出整个网格。（4）确定不同类型边界的交点和圆弧中心点Ctrl+鼠标右键，在坐标网格上如上图所示，创建出所需要的各点。（5）复制点除了以上各点之外，每个小管嘴还需要外侧的2个点，我们可以通过点的复制来创建各个小管嘴外侧的点。按照下图15的步骤，执行完第4步时，用Shift+鼠标左键选上所要复制的两个点，在第6步输入点要复制到的位置，上部管嘴外侧的点是原来点Y方向上+3的位置。重复15步骤，创建下侧的两个小管嘴外侧的点，下侧小管嘴复制到在原来点Y方向上移动-3的位置。 复制完毕之后按按右下角的按钮，使工作区调整至显示整个网格如下：（5）隐藏坐标网格显示按照下图14将坐标网格线隐藏，以便于后面的操作。（6）由点创建直线和圆弧线按照下图14步骤创建出一条直线，第3步Shift+鼠标左键，选中直线两段的点重复14步骤，创建出其他所需要的直线，最终结果如下图。需要注意的是创建的直线时要选取最近的点，而且各直线不能重叠，否则在后面将线组成面的操作中，这些直线不能构成一个封闭的面。按下图17步骤分别创建混合器的两段圆弧圆弧， （7）由线组成面按下图，14步骤，将线组成面，其中第3步，用Shift+鼠标左键，选中组成各面的线，组成面的各直线，必须能构成一个封闭的空间。按照同样方法重复14的步骤，第4不选择小管嘴的各线，将组成小管嘴的三个矩形也组成面，这个我们得到了4个面如下：（8）划分各面的网格划分网格首先要将组成各面各线按照一定的方式划分，按照右图16步骤操作，第3步，用Shift+鼠标左键选中需要划分的直线。第4步，用鼠标右键选则划分类型为interval count，即按照个数划分。重复操作以上16步骤按照下图的数目，将一个面的组成各线进行等分划分。按照下图14步骤划分出网格，第3步Shift+左键选中要划分网格的面按照上述同样的操作，将小管嘴矩形两边划分成5等分，最后划分网格如下。（9）设置边界类型按照右图17步骤设置边界类型注意：第3步要用鼠标右键选Edges类型；第4步用Shift+鼠标右键选中热水进口管嘴的最外边第5步要用鼠标右键选中Velocity_inlet（速度入口）类型的边界；第6步输入入口的名字inlet1，然后按Apply按钮增加一个入口。重复17步骤，在第4步选中冷水入口的边，在第6步输入名字inlet2，创建冷水入口inlet2。重复17步骤，在第4步选中混合水出口的边，第5步选中的边界类型为Outflow，在第6步输入名字outlet，创建出口边界outlet（10）导出网格文件用菜单明File:Export : Mesh，在弹出的对话框中输入要导出网格文件的路径和文件名后，按Accept按钮，将网格文件导出最后用菜单命令File: Exit关闭Gambit回话，在退出之前，Gambit会问是否保存当前的项目，点击Yes将项目保存。2.3 用Fluent求解 用Fluent求解包括导入和检查网格、建立求解模型、设置边界条件、求解、显示计算结果等。（1）网格的导入和检查及有关操作启动Fluent6后，在以下窗口中选2D求解器，后按Run，进入Fluent。用菜单命令Flie: Read: Case，在打开对话框中，指定到在Gambit中导出的网格文件e:examplemixer.msh，点击OK后，将网格文件导入到Fluent中。Fluent读入网格文件时，会在信息反馈窗口内显示如下信息：> Reading "E:Examplemixer.msh". 866 nodes. 130 mixed wall faces, zone 3. 5 mixed velocity-inlet faces, zone 4. 5 mixed velocity-inlet faces, zone 5. 1520 mixed interior faces, zone 7. 795 quadrilateral cells, zone 2.Building. grid, materials, interface, domains, zones,default-interiorinlet1inlet2wallfluid shell conduction zones,Done.用菜单命令Grid: Check检查网格，显示信息如下：Grid Check Domain Extents: x-coordinate: min (m) = -1.000000e+001, max (m) = 1.000000e+001 y-coordinate: min (m) = -1.300000e+001, max (m) = 1.300000e+001 Volume statistics: minimum volume (m3): 1.101666e-001 maximum volume (m3): 9.046541e-001 total volume (m3): 4.139058e+002 Face area statistics: minimum face area (m2): 2.889270e-001 maximum face area (m2): 1.059550e+000 Checking number of nodes per cell. Checking number of faces per cell. Checking thread pointers. Checking number of cells per face. Checking face cells. Checking bridge faces. Checking right-handed cells. Checking face handedness. Checking element type consistency. Checking boundary types: Checking face pairs. Checking periodic boundaries. Checking node count. Checking nosolve cell count. Checking nosolve face count. Checking face children. Checking cell children. Checking storage.Done.网格检查列出了X,Y的最大和最小值，同时还报告了网格的其他特性，如单元格的最大体积、体积和最小体积、面积等，报告的最小体积不能为负值，否则Fluent无法进行计算。为了保证网格质量，可以用菜单命令Grid: Smooth/Swap平滑和交换网格。在弹出对话框中点击Smooth按钮，再按Swap按钮，重复操作，直到报告中无需要交换的面为止。No nodes moved, smoothing complete.Done.Number faces swapped: 0Number faces visited: 1520用菜单命令Grid: Scale确定长度单位，在弹出的对话框中将Grid Was Create in中选成cm，然后点击Change Length Units 按钮，最后点击Scale按钮，对话框显示如下图，最后按Close按钮关闭对话框。最后用菜单命令Display: Grid，在对话框中按Display按钮，将网格显示出来（2）建立求解模型建立求解模型，包括选择求解器、设置湍流模型、选择能量方程等步骤。选择求解器：菜单命令Define: Models: Solver，对话框显示如下：Solver 求解器分为Segregated（分离）和Coupled（耦合）两种；Formulation（算法）有Implicit（隐式算法）和Explicit显式算法两种；Space（空间属性）有2D（二维空间）和Asisymmetric（轴对称空间）Axisymmetric Swirl（轴对称旋转空间）三种；Time（时间属性）分为Steady（定常流动）和Unsteady（非定常流动）两种；Velocity Formulation（速度属性）有Absolute（绝对）和Relative（相对）两种；保持默认设置不变，点击OK关闭对话框。设置湍流模型：用菜单命令Define: Models: Viscous对话框显示如下： Inviscid表示无粘（理想）流体；Laminar表示层流模型；另外4个为常见的湍流模型。在这里选择k-epsilon后，按OK按钮，将显示对话框如下，点击OK保持默认值。选择能量方程：菜单命令Define: Models: Energy，打开对话框中，勾选上Energy Equation，并按确定按钮。（3）设置流体的物理属性设置流体的物理属性，可以从Fluent数据库中选用，也可以新建一种新流体，并且输入流体的密度、等压比热、导热系数、动力粘度等物理属性。用菜单命令Define: Materials显示Materials对话框如下：右侧按钮Fluent Database选取数据库中的流体，对话框显示如下：在选择water-liquid（H2O）后，流体的各物理属性显示在下，按Copy按钮，再按Close按钮关闭该对话框，此时Materials对话框中已经显示出复制的流体。按Change/Create按钮将材料设置为water-liquid后，按Close按钮关闭Materials对话框.（4）设置边界条件用菜单命令Define: Boundary Conditions打开对话框如下，我们在Gambit设置的三个边界类型inlet1、inlet2和Outlet之外，还有fluid（流体）和壁（wall）这两种边界属性。左侧栏中选中fluid，右侧类型中选fluid，按Set按钮，流体对话框显示如下，将Material Name选择water-liquid（这是我们刚才设置流体属性时，从Fluent材料库中复制过来的流体），然后按OK按钮。左侧栏选上inlet1按钮，发现右侧类型栏中为Veloctiy Inlet，这是我们在Gambit下设置的类型，按Set按钮，在弹出的对话框中按下图，设置该入口的边界条件后按OK按钮。用同样的方法可以设置好outlet2的入口边界条件，温度为350K，其他与outlet相同。出口的边界条件保持默认值如下。壁面（wall）的边界条件保持默认值（热流量为0）即可。设置完边界条件后，点击边界条件对话框上的Close按钮将其关闭。（5）求解求解过程包括流场初始化、设置监视器、迭代计算等步骤流场的初始化：菜单命令Solver: Initialize: Initialize，对话框显示中，选择从inlet2开始计算如下：点击Init按钮进行初始化之后，再点击Close按钮关闭该对话框。设置监视窗口：在求解时，所关心的是出口的温度、速度是否达到稳定，为此Fluent可以设置监视器，对所关心界面的物理量进行监视。菜单命令Solver: Monitors: Surface，在监视器对话框中设置如下图：将Surface Monitors增加1之后，选上Plot，然后按Define按钮，按照下图设置，在定义监视器对话框，设置成监视outlet的平均重量加权温度，并且在窗口中显示出来。以上设置完成之后，可以通过用菜单命令File: Write: Case将该项目保存。以后如果需要打开该项目，可以通过菜单命令File: Read : Case将项目打开用菜单命令Solver:Iterate，在显示的对话框中将Number of Iterations（迭代次数）输入300次，点击Iterate开始计算。设置的监视窗口显示如下，在计算到约150次后出口截面上已经达到稳定状态，计算完成。（6）显示计算结果通过Display: Contours命令，打开Contours对话框如下：在Contours of栏下选择Temperure，按Display按钮，则温度分布图显示如下，如果将Options中的Filled（填充）去掉，则温度分布图入右图显示。 用同样方法，可以显示压力分布图和速度分布图如下： 用菜单命令Display: Velocity Vector，显示速度矢量场，在弹出的对话框中按照如下选择，并按Display按钮得到用箭头表示的速度矢量分布图如下：此外，还可以创建出流口上的温度分布XY图。通过菜单命令Plot: XY Plot，在显示的对话框中设置如下：其中Y轴的函数为温度，Surface选上outlet，点击Plot按钮。得到出口的温度XY分布图如下：（7）二阶离散化方法重新计算以上的求解计算使用的是是一阶离散化方法。一般来说，其计算结果不如二姐离散化方法精度高，收敛性也不如二阶离散化方法理想。下面介绍如何使用使用二姐离散化方法求解。用菜单命令Solve: Controls: Solution，打开对话框如下，在Discretization（离散化方法）下Energy（能量）项选Second Order Upwind，在Under-Relaxaztion Factors（松弛系数）项的Energy项，由1降为0.8，其他项不变，点击OK。菜单命令Solve: Iterate，在Iterate设置对话框中将Number of Iterations项输入200，点击Iterate，开始计算，监视窗口显示如下，表示在迭代了150次左右时温度达到稳定。用菜单命令Display: Contours，显示求解结果，显示温度分布图，和原先的温度分布图比较可以发现，求解结果已经得到改善。（8）自适应网格修改功能混合器中的热交换计算，还可以通过进一步修改网格，使其更适合于流动计算，达到更理想的拟合效果。可以通过在现有计算的基础上，以温度梯度为基点来改善网格。首先确定温度梯度的范围。用菜单命令Display: Contours在显示的对话框中，将Options中的Node Values选项不选中，按Display按钮，显示出温度分布图如下：发现各单元间边界不光滑了，在准备改进网格时，应该先看一下单元的值，可以看出要进行改进的区域。在Contours of下拉列表中，选择Adaption和Adaption Function，在Options项不选择Node Value，点击Display，得到温度梯度显示图如下：在Options不选择Auto Range，改版最小温度梯度值，将Min设置为0.01，点击Display，显示出需要改进的高温度梯度的网格如下，这部分网格是我们需要改进的网格。用菜单命令Adapt: Gradient打开对话框，在Gradient of 下来框中选中Temperature和Static Tempreature；在Option中不选Coarsen，即只细化修改网格而不粗糙化。点击Compute，Fluent将计算出温度梯度的最大值和最小值，在Refine Threhold中输入0.01，点击Mark。 显示即将细化的网格有82个：82 cells marked for refinement, 0 cells marked for coarsening点击Manage，在打开的单元注册对话框（Manage Adaption Registers）点击Display。准备要细化的网格的网格显示如下图。点击单元注册对话框中的Adapt按钮后，选择Yes确认，最后关闭Manage Adaption Registers和Gradient Adaption对话框，网格细化完毕。通过菜单命令Display: Grid，改进后的网格显示如下，明显看出前面所标示的温度梯度大于0.01的网格已经得到改进。用命令菜单Solver: Iterate，输入300次迭代，按Iterate开始计算计算过程中，监视窗口显示如下，看出出口温度趋于稳定。命令菜单Display: Contours，在对话框中Contours of下拉框中选择Tempreature和 Static Tempreature，温度分布图显示出来如下去掉Options中的Filled，将温度分布用等温线表示如下：可以看出，经过网格优化后，对温度场的计算更为细腻。（9）保存项目用菜单命令File: Write: Case & Data，将项目和计算结果保存在一个文件夹中。如果以后再需要查看计算结果，用菜单命令File: Read: Case & Data就可以将项目的计算结果读入后，用Display菜单命令将计算结果显示出来。3 结果与讨论在本例的计算过程中，我们使用了三种离散方法（1）最初的网格，能量方程采用一阶离散方法；（2）最初的网格，能量方程采用二阶离散方法；（3）利用温度梯度定位网格单元并给予改进，能量方程采用二阶离散方法。将三种方法得出的温度分布进行比较，可以明显看出数值计算结果越来越理想。 （a）最初网格，一阶离散 （b）最初网格，二阶离散 （c）改进网格，二阶离散4 思考题（1）对于最后的结果，绘制出口处的压强、速度和温度分布图（2）改变入口边界条件重新计算，观察结果（3）在出口边界上设置观察点，检测出口截面上的速度变化（4）自己设计出一个冷空气和热空气的混合器，并计算内部的流动与热交换