八、管道弯头中流体混合流动与传热

这次我们使用fluent做一个流体流动与传热的模拟。如图1所示，进口5和进口6分别进入两股流体，两股流体会在弯头处进行混合，考虑到流动与换热的影响，查看稳定下来之后的压力和速度分布云图。

1. 物理模型

物理模型如图1所示，模型尺寸图中已标出，为了简化计算，模型为二维模型。但实际上是圆管，这里的二维模型会带来误差，之前的文章我们提到过，Fluent即便模拟二维流动，实际上也是三维的，因为对于二维模型，Fluent会自动给它一个1m的深度如图2，因此实际上二维的计算变成了方形管。这里我们不考虑这样的误差。

图1.模型尺寸图

图2.二维模型的深度

2. 启动Fluent导入mesh文件

2.1启动界面

直接双击打开fluent软件，会出现图3的界面，这里我们介绍一下。Dimension表示维度，如果三维模型则选择3D，二维模型就选择2D。Options表示精度，有单精度和双精度之分，勾选Double Precision就是选择了双精度，否则就是单精度。Display Options表示显示选项，对计算没有影响，可以自己尝试一下。

Processing Options表示计算是串行还是并行，所谓串行即使用一个CPU进行计算，计算速度较慢。并行则是使用多个CPU计算，计算速度快，但是对电脑要求也高，普通的工作电脑没有多个CPU，实际上只要CPU是多核的就可以使用并行计算（可以查看自己的电脑CPU是几核）。比如8核的CPU，可以选择使用一半即4核进行计算，不能将CPU全部用于计算，否则电脑会卡机。

这里我们使用串行计算即可。

图3.Fluent启动界面

2.2导入Mesh文件

File-read-mesh，导入mesh文件后，单击display，可以显示网格。

单击check一下，以确保没有负体积出现。

单击Scale按钮，Scaling---Convert Units---Mesh Was Created in，选择in（表示英尺）。这里实际上在对Fluent导入的模型修改尺寸。有两种修改方法，说起来内容太多，以后会慢慢普及，这里不再详谈。比较着急的可以私信。

图4.修改尺寸界面

3. 定义求解器

求解器定义如图5，基于压力稳态二维平面且不考虑重力。

操作压力保持默认即可，即101325pa

图5.求解器设置

4. 选择模型

打开能量方程，同时选择标准的k-e模型。有三种不同的k-e模型，标准k-e模型，RNG k-e模型，Realizable k-e模型，这三种模型分别适用于不同的情况，对于标准的k-e模型，适合完全湍流的流动过程模拟，对于旋流计算误差较大。本例没有旋流出现，因此选择标准的k-e模型。

图6.选择模型

5. 材料设置

单击materials，弹出材料面板，单击fluid，将name改为water，密度:1000，比热容:4216，导热系数:0.677，动力粘度:0.0008。

单击Chang/Create，完成材料的创建。

图7.材料设置

6. 边界条件设置

一共有5个边界条件，

单击velocity-inlet-5，将Type改为velocity-inlet。这一步是在更改边界条件的类型。

图8.更改边界条件的类型

然后双击velocity-inlet-5会出现图9

图9.边界条件设置

我们一项一项看，第一项Velocity Specification Method会包含三项Magnitude and Direction、Components、Magnitude , Normal to Boundary。

Magnitude and Direction：指定速度的值，然后通过指定x和y的分量来确定速度的具体方向，类似于向量的值*单位向量来确定最终的速度方向及大小

Components：直接给定x和y方向的速度

Magnitude , Normal to Boundary：只需要给出速度值，速度值垂直于边界。

图10.速度设置

图11.Magnitude and Direction

这里我们选择任一种方法都可以，如图11Magnitude and Direction，指定速度0.4m/s，只沿着x方向。湍流设置选择湍流强度5%，水力直径4，湍流设置对计算结果没有影响，但会影响计算速度。这里还需要设置温度为20℃即293.15K

对于velocity-inlet-6的设置与velocity-inlet-5类似，设置速度为1.2m/s。只沿y方向，温度40℃即313.15K，湍流强度5%，水力直径1。

对于pressure-outlet-7将边界类型改为pressure-outlet即可，不需要进行设置。

对于wall-4，wall-8保持默认即可。

7. 设置计算域

我们的计算域里面全是water，Material Name选择water即可

图12.计算域设置

8. 求解控制设置

Solution Method和Solution Controls均保持默认

9. 初始化设置

选择Hybrid Initialization，单击Initialize完成初始化

初始化并不影响结果，但是会影响计算速度。

如果选择Standard Initialization，一般Compute from选择进口边界，即以进口边界作为初始条件，下面的参数如速度压力等都是进口边界的参数，当然也可以对每一项参数进行自定义。

图13.初始化设置

10. 物理量监控

我们对出口的温度（质量平均下的温度）进行监控，如图14，Report Type选择Mass-weighted average（质量平均），Field Variable选择温度，Surfaces选择压力出口；左边的Options将Print to console（值在控制面板输出）和Plot（画出曲线图）都勾选，Window设置为2，否则会占用残差曲线窗口。

图14.监控物理量

为什么要物理量进行监控？因为有时候我们的计算是否收敛并不能根据残差来判断，残差小于某个特定值就收敛，这个特定值毕竟是人为设置的，不一定合理。很多时候我们都是根据两种方法判断是否收敛，一是必须质量能量守恒，这个可以在后处理中看到，二就是根据某些计算过程中物理量不再发生变化，如本例中的出口温度

11. 计算求解

将计算步数设置为150，单击Calculate进行计算

图15.计算求解

12. 结果后处理

我们的计算目的是看两种流体混合后的压力即速度云图。对于云图，可以在Results-Animations-Contours中看到，单击Contours，出现图16，Options勾选前四项，默认是不勾选Filled的，如果不勾选显示的就是等值线。Contours of选择压力，Surfaces不要进行选择，如果全选云图中会出现网格，最终的压力云图如图17，速度云图如图18

图16.压力云图设置

图17.压力云图

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