周期性三維流動(dòng)及換熱

1、周期性三維流動(dòng)與傳熱本算例所要解決的問(wèn)題如下：一塊用于換熱的模板,在水平方面有3排冷油通道，在垂直方向有一列熱水的通道，兩者之間周期性交替分布很大的區(qū)域，如下圖所示只是其中一部分。冷油出口以280K的溫度、10mms的速度從每個(gè)大圓孔進(jìn)入20mm長(zhǎng)的通道，從后面的小圓孔流出，出口連接大氣壓為1個(gè)大氣壓；熱水以330K的溫度、20mms的速度由上端進(jìn)入通道，從下部流出，出口連接大氣壓為1個(gè)大氣壓。圖1 模板局部示意圖分析：由于該算例所需模擬的區(qū)域很大，若全部計(jì)算的話工作量太大，且具有一定的周期性，故可以引入周期邊界來(lái)模擬。而在fluent6.3中提供了兩種類型的周期性邊界條件：一是周期性平面內(nèi)沒(méi)

2、有壓降的周期流，二是周期性平面內(nèi)有壓降的周期流，主要用于模擬完全發(fā)展的周期性流動(dòng)。下面分兩部分進(jìn)行模擬，第一部分為模型的建立，第二部分為用fluent模擬。注：以下以下一級(jí)菜單。一、利用gambit創(chuàng)建集合模型建模時(shí)，采用先建冷油通道，再建立模板，最后掃略出熱水通道的方法。1、創(chuàng)建冷油通道（1）創(chuàng)建圓柱和圓臺(tái) / 具體數(shù)據(jù)及選項(xiàng)如圖1、2、3所示： 圖1 半徑為4高10的圓柱 圖2 上半徑為2下半徑為4高5的圓臺(tái)圖3 半徑為2高5的圓柱 圖4 移動(dòng)圓臺(tái)（2）移動(dòng)圓臺(tái)和小圓柱移動(dòng)圓臺(tái)： 具體數(shù)據(jù)及選項(xiàng)如圖4所示：移動(dòng)小圓柱時(shí)，與上述操作相同，只需選擇小圓柱并將偏移量改為（0，0,15）既可。 (

3、3)合并兩個(gè)圓柱與圓臺(tái)生成冷油通道運(yùn)用布爾運(yùn)算： ，選擇三個(gè)體然后單擊Apply。（5）移動(dòng)冷油通道并平移復(fù)制移動(dòng)：操作同（2），只需選擇冷油通道，并將偏移量改為（5,5,0）。平移復(fù)制：操作同（2），只需選中Copy并將其對(duì)話框里修改為2，偏移量為（0,10,0）。生成如圖5的模型。注：為避免從gambit里截出的圖不清楚，在此需要對(duì)其背景及圖線顏色進(jìn)行更改。更改背景的方法如下：EditDefaultGRAPHICS，將單擊WINDOWS-BACKGROUND-COLOR選項(xiàng)，這樣Modify Reset選項(xiàng)就變成了WINDOWS-BACKGROUND-COLOR，然后將其后的VALUE改為

4、white并按Enter鍵，然后單擊Close退出。更改圖線顏色的方法如下： ，單擊Volume選項(xiàng)后面的黑色箭頭，選中All，然后單擊Geometry后面的顏色條，并點(diǎn)擊新彈出的對(duì)話框里的color選項(xiàng)black，最后單擊Apply退出顏色選擇，再次單擊Apply，確定將顏色改為黑色。 圖5 生成的模型（6）創(chuàng)建和平移長(zhǎng)方體創(chuàng)建x=10，y=30，z=20的長(zhǎng)方體： ，具體數(shù)據(jù)如圖6；平移長(zhǎng)方體操作同（2）只需將偏移量改為（0,15,10），偏移完成后如圖7所示。 圖6 創(chuàng)建長(zhǎng)方體 圖7 偏移完成后的模型（7）分割體并刪除多余部分用面分割體： ，用長(zhǎng)方體（也就是模板）的與冷油通道相交的面分割

5、三個(gè)冷油通道，為下一步鏡像體做準(zhǔn)備，此處注意必須每次都要選擇retain，目的是為接下來(lái)的分割以及周期性條件設(shè)定做準(zhǔn)備，具體操作如圖8所示（分割其他冷油通道時(shí)，只需要將Volume選項(xiàng)更改為Volume.3和Volume.4即可。）： 圖8 分割冷油通道 圖9 刪除模板外的冷油通道 刪除模板外的冷油通道： ，具體操作如圖9所示，刪除完畢后模型如圖10所示。 圖10 刪除后模型（8）鏡像冷油通道鏡像體： ，具體操作如圖11所示。然后單擊Reflection Plane下面的Define，鏡像時(shí)的方向矢量（-1,0，0）定義如圖12所示。 圖11 鏡像冷油通道 圖12 方向矢量定義 注：這里對(duì)方向

6、矢量的定義采用了兩點(diǎn)式 ，先單擊Point 1并輸入起點(diǎn)坐標(biāo)（0,0,0），再單擊Point 2并輸入終點(diǎn)坐標(biāo)（-1，0,0），然后單擊Apply，從而完成對(duì)鏡像矢量的定義。 鏡像完成后的模型如圖13所示。 圖13 鏡像后模型 （9）建立熱水通道的模型對(duì)于熱水通道的模型，本算例中采取了由點(diǎn)到線，再由線到面，再由面掃略出體的方式。建立點(diǎn)： 建點(diǎn)時(shí)采用了坐標(biāo)輸入的方式。如圖14所示，其坐標(biāo)如下：（0.5,0,2）、（-0.5,0,2）、（0.5,0,10）、（-0.5,0,10）、（1.5,0,15）、（-1.5,0,15）、（1.5,0,18）、（-1.5,0,18），每輸入一個(gè)坐標(biāo)，單擊一次A

7、pply。由于這些點(diǎn)在x-z平面內(nèi)，所以右擊一下Global 圖14 建立熱水通道的點(diǎn)Ctrl里的 ，并選擇x-z平面視圖，就會(huì)顯示如圖15。 由點(diǎn)建線（在x-z平面下）： ，具體操作如圖16所示，選取點(diǎn)的時(shí)候按順序依次選取。 由線建面： ，具體 圖15 冷油通道坐標(biāo)圖 操作如圖17所示，選取的線要封閉。 圖16 由點(diǎn)建線 圖17 由線建面由面建體： ，這里采用的是由面掃略成體，所以要指定一個(gè)掃略方向，由于熱水通道是沿著y軸正方向的，所以可選與y平行的邊作為掃略方向，如果所選邊的方向是y軸反向，則可通過(guò)按鼠標(biāo)中鍵來(lái)改變。具體操作如圖18所示。掃略后形成的體如圖19所示。 圖18 由面掃略出體

8、圖19 掃略后的熱水通道（10）從模板中減去剩余體布爾減： ，此處要保留剩余體，因?yàn)樵诤竺嬷芷谛詶l件設(shè)置要用模板與冷油通道相交的面做周期循環(huán)。具體操作如圖20所示。 圖20 從模板中減去剩余體 （11）合并重合面此處需要合并重合面，因?yàn)閯倓傇跍p體時(shí)保留了剩余體，這樣就跟剪完后的模板有很多重合面，如果不合并的話在fluent里會(huì)默認(rèn)為Wall從而造成算例失敗，若是修改Wall的話由于重合的面太多會(huì)造成工作的繁瑣。合并： ，由于此命令的功能是合并所有能合并的重合面，所以單擊Faces選項(xiàng)后面的黑箭頭，并選中All，再單擊Apply。（12）鏈接周期邊界的面由于模板兩個(gè)側(cè)面（與冷油通道相交的面）是周

9、期邊界面，在周期性邊界設(shè)計(jì)時(shí)兩側(cè)的網(wǎng)格必須保持一致，所以應(yīng)將兩側(cè)面建立Link鏈接關(guān)系。在該算例中總共有7組相互對(duì)應(yīng)的面（見圖21），需要一一建立Link關(guān)系。建立Link鏈接： ，彈出如圖22所示的對(duì)話框，單擊上端的Face選項(xiàng)，選擇其中一個(gè)面，單擊其下的Vertices選項(xiàng)，并選擇該面上的一個(gè)點(diǎn)；單擊下端的Face選項(xiàng)，選擇與上面Vertices選項(xiàng)，并選擇該面上與上面Vertices選項(xiàng)中選擇的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)，選中Reverse Orientation和Periodic選項(xiàng)，單擊Apply，就完成了一組面的Link連接設(shè)置。重復(fù)類似操作，把所有的對(duì)應(yīng)面都鏈接起來(lái)。圖21需要建立Link

10、鏈接的面 圖22 建立Link鏈接注：gambit里默認(rèn)的是不選Periodic，所以每次選完面和點(diǎn)一定要注意單擊Periodic。（13）劃分體網(wǎng)格劃分體網(wǎng)格： ，具體操作如圖23所示，這里要選中所有體。（14）隱藏網(wǎng)格由于該算例的網(wǎng)格數(shù)較多，且邊界條件較多，為方便設(shè)置，故隱藏網(wǎng)格。單擊Global Ctrl里的 ，只需將彈出的對(duì)話框里的Mash選項(xiàng)關(guān)掉，具體操作見圖24。圖23 劃分體網(wǎng)格 圖24 隱藏網(wǎng)格2、利用gambit初定邊界條件本算例中需要對(duì)流體區(qū)域條件和流體邊界條件做設(shè)置，下面先設(shè)置其流體區(qū)域條件，再設(shè)置其邊界條件。（1）指定流體區(qū)域指定流體區(qū)域： ，按圖25、26、27完成對(duì)

11、冷油、熱水及模板的設(shè)置。 圖26 指定熱水區(qū)域圖25 指定冷油區(qū)域 圖27 指定模板區(qū)域注：本算例中設(shè)置了流體和固體兩種區(qū)域，這兩種區(qū)域之間的公共面如果不去指定邊界類型或者指定為Wall類型的邊界，將會(huì)默認(rèn)為耦合壁面。在倒入到FLUENT6.3中后會(huì)出現(xiàn)“shadow”壁面，而該耦合壁面的對(duì)流換熱系數(shù)是通過(guò)FLUENT6.3本身的計(jì)算得到，故在接下來(lái)的邊界條件設(shè)置時(shí)，將三個(gè)區(qū)域之間的邊界設(shè)為Wall。 （2）設(shè)定流體邊界條件邊界條件的設(shè)定： ，在彈出來(lái)如圖28所示的對(duì)話框里，其中只需要修改Name、Type和Faces，現(xiàn)將所修改項(xiàng)目列表如下。表1 邊界條件修改內(nèi)容Nameperiodicoi

12、l-inoil-outoil.moban.coupleTypePERIODICVELOCITY-INLETPRESSURE-OUTLETWALLFace模板兩側(cè)面/14個(gè)冷油通道大圓柱端/6個(gè)冷油通道小圓柱端/6個(gè)所有圓柱及圓錐面 續(xù)表1Namewater-inwater-outwater.moban.coupleTypeVELOCITY-INLETPRESSURE-OUTLETWALLFace熱水通道Y值最大端面熱水通道Y值最小端面冷水通道的側(cè)面/4個(gè)（3）導(dǎo)出Mesh文件FileExportMesh，在彈出的新對(duì)話框中單擊Accept。（4）保存文件FileExit，在彈出的新對(duì)話框中單擊

13、Yes。 圖28 邊界條件設(shè)定二、利用FLUENT6.3進(jìn)行后處理（1）導(dǎo)入網(wǎng)格FileReadCase，在彈出的窗口中找到保存的“.Mesh”文件。導(dǎo)入完成后，會(huì)顯示如圖29所示的一系列Warning，這是由于周期性條件及耦合壁面造成的，只是提醒作出設(shè)置。圖29 導(dǎo)入網(wǎng)格產(chǎn)生的Warning（2）檢查及標(biāo)定網(wǎng)格檢查網(wǎng)格：GradeChack。標(biāo)定網(wǎng)格：GradeScale，將網(wǎng)格單位由m改為mm，并單擊Change Length Unites，再單擊Scale，最后單擊Close。（3）選擇計(jì)算模型l 選擇求解器 由于本算例采用FLUENT默認(rèn)的求解器，故不用修改。l 啟動(dòng)能量方程 Defi

14、neModelsEnergy，在彈出的Energy對(duì)話框勾選Energy Equation復(fù)選框，并單擊OK按鈕。l 選擇層流模型 由于FLUENT里默認(rèn)的粘性模型為層流模型，剛好滿足本算例，故不需修改。（4）設(shè)置物性參數(shù)本算例中設(shè)計(jì)到兩種流體（液態(tài)水和油）和一種固體（鋼），而液態(tài)水和鋼在數(shù)據(jù)庫(kù)中都能找見，所以只需加載，油則需要自己定義。l 加載液態(tài)水和固體鋼 DefineMaterials，在彈出的Materials對(duì)話框中單擊Fluent Database，將新彈出的對(duì)話框中的Material Type改為fluid，然后在Fluent Fluid Material中選擇water-liq

15、uid<h2o>，依次單擊Copy和Close。再單擊Change/Close按鈕。對(duì)固體鋼的設(shè)定同液態(tài)水，不同的是將Material Type改為Solid，并將Fluent Fluid Database改為steel即可。l 自定義液態(tài)油 DefineMaterials，將Material Type改為solid，并將Properties下面的Density改為830，Cp改為2540，Thermal Conductivity改為0.8，Viscosity改為0.00061，再在Name中輸入oil，然后單擊Change/Creat按鈕，最后在新彈出的對(duì)話框中單擊No，最后單擊

16、Close。 （5）設(shè)置運(yùn)行環(huán)境由于本算例不計(jì)重力，所以不需要修改。（6）設(shè)置邊界條件DefineBoundary Conditions，在彈出的對(duì)話框中做如下設(shè)置：定義冷油區(qū)域 在Zone中選中cold-oil，Type中選中fluid，單擊Set，將新彈出的對(duì)話框里的Material Name改為oil。定義熱水區(qū)域 在Zone中選中hot-water，Type中選中fluid，單擊Set，將新彈出的對(duì)話框里的Material Name改為water-liquid。定義模板區(qū)域 在Zone中選中moban，Type中選中solid，單擊Set，將新彈出的對(duì)話框里的Material Name

17、改為steel。定義油及熱水的入口邊界在Zone中選中oil-in，單擊Set，將新彈出的對(duì)話框里的Velocity Magnitude改為0.01，再單擊Thermal選項(xiàng)卡并將Temprature改為280。熱水的邊界條件設(shè)置同油，只需將Velocity Magnitude改為0.02， Temprature改為330。定義油及熱水的壓力出口邊界由于壓力出口邊界已經(jīng)在gambit中設(shè)定好了，故在此不需要修改。定義耦合壁面在Zone中選擇oil.moban.couple，單擊Set，單擊新彈出的對(duì)話框里的Thermal選項(xiàng)卡，由于Thermal Conditions默認(rèn)的就是Coupled，

18、且Wall Thickness和Heat Generation Rate均默認(rèn)為0，正好符合要求，故只需要將Material Name改為steel即可，最后單擊OK按鈕。對(duì)于water.moban.coupe做同樣的設(shè)定。定義空氣接觸壁面在Zone中選擇Wall，單擊Set，單擊新彈出的對(duì)話框里的Thermal選項(xiàng)卡，選中Thermal Conditions的Convection，并將Heat Transfer Coefficient及MaterialName分別改為30和steel，最后單擊OK。 （7）設(shè)置周期性邊界條件DefinePeriodic Conditions，本算例采用的是無(wú)

19、壓降的周期流與FLUENT里默認(rèn)的（見圖30）一致，所以直接點(diǎn)OK。（8）求解策略求解器選擇 SolveControlsSolution如圖31所示，由于該求解器正是本算例所需要的，所以直接點(diǎn)OK按鈕。設(shè)置殘差監(jiān)視器 SolveMonitorsResidual，如圖32所示，由于該殘差監(jiān)視 器正是本算例所需要的，所以選中Plot，即 圖30 周期性邊界條件設(shè)置動(dòng)態(tài)顯示殘差圖，然后直接點(diǎn)OK按鈕。（9）初始化SolveInitializeInitialize，在彈出的對(duì)話框中的Compute From下拉列表中選擇則all-zones，然后依次單擊Init和Close。 圖31 確定求解器 圖3

20、2 確定殘差監(jiān)視器（10）保存Case&Data文件FileWiteCase&Data，選擇好保存位置，然后單擊OK。（12）迭代計(jì)算SolveIterate，在彈出的Iterate對(duì)話框中將Number of iteration選項(xiàng)改為100，然后單擊Iterate。方程在大約44步時(shí)收斂，殘差圖如圖33所示。注：截取殘差圖時(shí)需要修改背景顏色，修改方法如下：FileHardcopy，在彈出的對(duì)話框中作如圖34的修改。圖33 動(dòng)態(tài)殘差圖圖34 修改背景顏色（13）創(chuàng)建平面SurfaceIso-Surface，彈出Iso-Surface對(duì)話框，在此對(duì)話框中通過(guò)點(diǎn)擊Compute可計(jì)算輸入值的范圍。下面按圖35和圖36設(shè)置分別建立x=0和z=10的平面。圖35 建立面x=0（右圖）圖36建立面z=10（下圖） （14）查看溫度分布DisplayContours，在彈出的對(duì)話框