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使用CFX计算水银通过具有均匀热通量壁面的圆形管道内的层流流动现象

6月前浏览9653

本文摘要(由AI生成):

本文介绍了使用Fluent进行流体仿真的一般步骤,包括能量方程的选择、边界条件的设置、求解控制参数的设置以及计算结果的查看和分析。文章详细描述了入口、壁面、出口和对称边界的设置方法,并展示了如何查看速度分布、计算出口平均温度、统计压降以及进行结果验证。通过这些步骤,用户能够使用Fluent进行流体仿真并得到相关的结果。


本案例利用CFX计算水银通过具有均匀热通量壁面的圆形管道内的层流流动现象。

1 案例描述

案例模型如下图所示,水银在管道入口处为充分发展湍流速度分布,平均速度为0.005 m/s。利用CFX计算管道压降及出口中心点位置温度,并与解析解进行比较。

案例采用二维轴对称模型计算。管道半径为0.0025 m,管道长度0.1 m。本案例利用ICEM CFD生成全四边形计算网格。

2 介质参数

  • 流体介质为水银

  • 密度:13529 kg/m3

  • 粘度:0.001523 kg/m-s

  • 比热:139.3 J/kg-K

  • 导热率:8.54 W/m-K

3 边界条件

  • 入口条件为充分发展速度,平均速度0.005m/s

  • 入口温度:300K

  • 壁面热通量:5000 W/m^2

4 解析计算方式

1、压降计算

理论值来自 :

Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera, David P. DeWitt.Fundamentals of Heat and Mass Transfer [ 7ed. ] . P523。

其中给出了充分发展速度表达式及水头损失表达式。分别为:

2、传热计算

理论值来自Fundamentals of Heat and Mass Transfer [ 7ed. ] . P530,给出:

5 CFX设置

5.1 启动CFX

启动CFX后,软件界面如下图所示。

  • 点击按钮CFX-Pre启动CFX前处理界面

  • 点击菜单File → New Case新建case

  • 弹出对话框中选择General,点击OK按钮

2.2 读取网格

  • 选择菜单File → Import → Mesh,弹出对话框中选择网格文件ex2.cas

注:对于2D轴对称模型,通常可以在Fluent中设置好轴对称后输出为cas文件再导入CFX,这样CFX会自动构建楔形体。否则若直接导入msh文件,则导入的模型为长方体。

导入的模型如图所示。

2.3 新建材料

  • 选择菜单Insert → Material,弹出对话框,修改材料名称为gas

  • 如下图所示,材料设置面板中设置Density为13529 kg/m3

  • 设置Specific Heat Capacity为139.3J/kg-k

  • 设置Dynamic Viscosity为0.001523 Pa.s

  • 设置Thermal Conductivity为8.54W/m-k

  • 点击OK按钮关闭面板

2.4 设置计算域

  • 鼠标双击模型树节点Flow Analysis 1 > Default Domain打开区域设置面板

  • 切换到Fluid Models标签页,设置Heat Transfer为Thermal Energy,设置Turbulence为None(Laminar),点击OK按钮关闭面板

注:CFX提供了两种模型考虑传热:Thermal Energy及Total Energy。其中Thermal Energy常用于低速流动,不考虑粘性热;而Total Energy常用于高速考虑粘性热的场合。
  • 点击OK按钮关闭面板

2.5 边界条件

1、入口边界

  • 右键选择模型树节点Default Domain,点击弹出菜单项Insert → Boundary插入边界

  • 将边界命名为inlet

  • 在Basic Settings标签页中设置Location为inlet

  • 切换至Boundary Details标签页,设置Normal Speed为0.01[m/s]*(1-(r/1[m])^2/(0.0025^2)),设置Static Temperature为300 K

  • 其他参数保持默认设置,点击OK按钮关闭设置面板

边界定义完毕后可以查看所定义的速度分布云图。

  • 双击模型树节点inlet > Boundary Contour,弹出设置面板

  • 如下图所示,点击按钮OK显示速度分布

速度云图分布如图所示。

注:相比较CFX来说,Fluent的表达式功能还有很大的改进空间。比如显示定义的表达式分布。

2、壁面边界

  • 右键选择模型树节点Default Domain,点击弹出菜单项Insert → Boundary插入边界,将其命名为wall

  • 在Basic Settings标签页中设置Location为wall surface_body 007

  • 切换至Boundary Details标签页,设置Heat Transfer Option为Heat Flux,设置Heat Flux in为5000 w/m2

  • 点击OK按钮关闭对话框

3、出口边界

  • 右键选择模型树节点Default Domain,点击弹出菜单项Insert → Boundary插入边界outlet

  • 在Basic Settings标签页中设置Location为outlet

  • 切换至Boundary Details标签页,设置Relative Pressure为0 Pa

  • 点击OK按钮关闭对话框

4、设置对称边界

  • 右键选择模型树节点Default Domain,点击弹出菜单项Insert → Boundary插入边界symmetry

  • 在Basic Settings标签页中设置Location为periodic.1,如下图所示

  • 其他参数保持默认设置,点击OK按钮关闭设置面板

注:CFX读入Fluent的二维Cas文件后会多出一些边界面,必须将其设置为对称面。

2.6 Solution Controls

  • 鼠标双击模型树节点Solver Control,打开设置面板

  • 如下图所示的设置面板中,设置Max. Iterations为400,设置Residual Target为1e-8

注:二维计算问题,尽量减小残差标准。默认1e-4远远不够。
  • 点击OK按钮关闭面板

  • 点击菜单项File → Save Case保存文件

  • 点击工具栏按钮Define Run写入求解器文件

  • 点击Save按钮启动CFX求解管理器

2.7 开始计算

  • 下图所示的对话框中采用默认设置,点击按钮-Start Run开始计算

  • 计算完毕后弹出提示对话框,激活选项Post-Process Results及Shut down CFX-Solver Manager,点击OK按钮启动CFD-Post

3 计算结果

1、速度分布

对称面上速度分布如图所示。

2、出口平均温度

  • 点击菜单项Tools → Function Calculator创建函数计算器

  • 如下图所示,设置Function为areaAve,设置Location为outlet,点击按钮Calculate计算出口面上温度

如图所示,出口平均温度为342.47 K。

3、统计压降

  • 鼠标选择菜单Insert → Table插入表格

  • 在A1单元格输入=areaAve(Total Pressure)@inlet -areaAve(Total Pressure)@outlet,如图所示,确认后显示压力降为0.9823 Pa

4、结果验证

将计算中与解析值进行比较。

计算值与解析值较为吻合。

CFX流体基础通用建筑
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首次发布时间:2019-05-08
最近编辑:6月前
CFD之道
博士 | 教师 探讨CFD职场生活,闲谈CFD里外
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2条评论
王小志
签名征集中
4年前
挺好的
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伊芙利特
keep moving
5年前
不错
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