周期性流动传热模拟方法(第一类边界条件)
当流场呈现周期性特征的时候,就可以用周期性边界来简化计算。周期性可以分为三类:展向周期性、流向周期性和周向周期性。其中,展向周期性和周向周期性很好理解,也就是流场可以切分为多个完全一样的子流场,切分方向可以是任意的,当呈现圆周切分时,就是周向周期,这两种周期性边界也可以用对称边界替代,但是后处理可视化有所区别。这里我们重点讲一下流向周期性,流向周期性就是在流动方向上可以划分多个完全一样的子流场,这在实际情况下是不可能的,但是经过一些列的假设和约束,也可以处理成周期性。首先,要满足两个最基本的前提:充分发展和远离壁面边界,因为入口段和壁面都会使得流场有很高的梯度,会使得此处的流场与其他位置显著不同。我们将流场细分为速度场、压力场和温度场,对于速度场,只要物性参数是常值,则只要满足上述两个基本前提,就可以成为周期性;而压力场和温度场(有换热)则天然地不可能是周期性,因为流动方向上压力一定越来越低,温度也不可能不变(加热则升温,冷却则降温),但是如果压力变化和温度变化呈现规律性(比如线性),那么把实际的温度扣掉这个规律性,就可以处理成周期性了,因为我们切分后的每一个子流场,其流场的变化是一样的,我们就可以不直接关注实际值了。根据帮助文档,流向周期性的流动模拟需要满足下列条件:- 当求解瞬态流向周期性问题时,周期性边界条件建议定义压力梯度
- 如果采用密度基求解器,只能定义压力梯度;对于压力基求解器,则可以定义压力梯度或者质量流量
- 只有当进出口本身包含在内时才可以用组分输运模型,且反应流是不允许的
- 只有当例子可以完全逃逸时才能进行稳态粒子追踪(离散相)
- 当模拟欧拉多相流时,周期性边界条件不能定义质量流量,而定义压力梯度。
- 热边界条件只能用常热流密度(第二类)或者常温(第一类)边界,而且对于特定的一个问题,两种边界只能二选一。不过,却可以有常温边界和零热流密度(绝热)边界共同定义。对于常温边界,所有壁面必须定义成相同的温度(profile定义是不允许的)或者绝热边界;对于常热流密度边界,不同的壁面可以定义不同的热流密度值(允许profile定义)
- 介质的热物性参数(比热、导热系数、黏度和密度)不允许定义成温度相关
展向周期性和周向周期性很简单,我们不深入探讨,重点探讨一下流向周期性。今天,我们探讨一下第一类边界条件下的流动传热周期性模拟。创建如下的管段,内径Φ17mm,长度34mm,划分多面体网格,注意为了后续和湍流模型适应,我们需要调整第一层网格高度,使得y+≈1(可能存在迭代,试算后若不合格再返回网格划分),节点数约27.7万,最小正交质量0.34。我们在fluent meshing模块划分网格,因此在划分面网格后就可以指定周期性边界(一对面,分别为进口和出口)。本案例我们采用3方程湍流模型,对于层流到湍流的过渡问题更擅长,当然还可以根据需要选其他的湍流模型。壁面设置常温度边界,也就是第一类边界条件,温度值1200K。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1709433397369_4sq96u.jpg?imageView2/0)
周期性边界按如下设置,本案例我们定义质量流量,对于很多实际问题,流量通常是已知。定义流量后,无需再定义压力梯度,该值由迭代计算产生。设置上游主流温度,这实际上可以认为是一个基准温度,设置流动方向(注意不能弄错)。根据实际需求,设置松弛因子和迭代次数,通常采用默认值就可以。
、注意,启用周期性边界后,软件会自动定义两个变量periodic-bulk-temperature-ratio和periodic-pressure-gradient,前者用在常温边界条件,后者即为压力梯度,这两个变量可以用于创建监视器,以监测计算收敛情况。我们先看一下压力梯度(periodic-pressure-gradient)收敛曲线,可以看出达到了收敛状态,约为-354Pa/m,流动方向上压力是减小的,因此梯度是负值,将压力梯度乘以管段长度0.034m就等于管段的总压降,约为12Pa。当然,我们不能通过计算进出口的平均压力来计算压降,因为这两个位置是周期性边界,根据其定义,值必须是一样的,但是从周期性静压云图可以看出压降值。如果要通过report来计算压降,可以创建两个非常靠近进出口的辅助面,并对其周期性静压进行积分平均,这两个辅助面的周期性静压差就等于管段的静压差。我们再看一下periodic-bulk-temperature-ratio收敛情况,基本上达到了收敛,约为1.0293。我们再看一下质量守恒情况,和周期性边界设定值一样。最后就是能量守恒情况,通过常规的通量报告是无法获得流体的能量变化的,只能获得壁面的能量流。此时,我们可以借助上述两个辅助面,通过计算质量流量加权平均温度(注意这个平均温度就是bulk温度),这个温差再乘以质量流量0.0055494726kg/s和比热1006.43J/kg,就等于流体的换热量58.96W和壁面传热量59.9W偏差1.6%。当然,上述的两个辅助面计算压差温差可能会带来插值误差。我们也可以这样做,取任意两个面,将这两个面的温差/压差除以两个面的距离得到单位长度温差/压差,然后乘以管段总长度就得到进出口的温差/压差了,具体操作读者朋友可以自行尝试。另外,对于流体进出口温差还可以根据periodic-bulk-temperature-ratio的定义(12.26)来计算,壁面温度Twall和入口温度Tbulk,inlet都是已知的,因此可以根据periodic-bulk-temperature-ratio的结果来求得Tbulk,exit值,这样进出口温度就都已知了。 著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-03-03
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