文章目录

FLUENT算例2：混合弯管的流动与传热
- 1. 问题描述
- 2. 网格划分
- 3. 计算设置
- - 3.1 GENERAL
  - 3.2 MODEL
  - 3.3 MATERIALS
  - 3.4 Cell Zone Conditions
  - 3.5 Boundary Conditions
  - 3.6 Solution
  - - 3.6.1 Method
    - 3.6.2 创建出口处平均温度的收敛定义
  - 3.6.3 Initialization
  - 3.6.4 Run Calculation
  - 3.6.5 Rulsults
- 4. 初步后处理
- - 4.1 Contours
  - 4.2 Vectors
  - 4.3 在出口的中心线处创建一条线
  - 4.4 XY plot
  - 4.5 自定义字段函数并观察
- 5. 梯度网格自适应
- 6. 适应后后处理
- - 6.1 XYplot
  - 6.2 在一个图上显示两组数据进行对比
- 7. 总结

FLUENT算例2：混合弯管的流动与传热

1. 问题描述

本算例主要为了熟悉fluent后处理，所以其他部分只做简要描述。若有需求，自行下载官网tutorial。

要考虑的问题如图所示。20°C下的冷流体通过大入口（直径100mm）流入管道，并与40°C下的热流体混合，后者通过位于弯头处的较小入口（直径25mm）进入管道。管道尺寸以英寸为单位，流体性质和边界条件以国际单位制为单位。较大入口流量的雷诺数为50800，因此需要湍流模型。

1英寸（in）=25mm

2. 网格划分

启动fluent meshing，选择 Watertight Geometry workflow
单位选择“in”，导入几何（该3d几何体是对称结构，所以只取一半即可），文件来自官网
不添加局部尺寸
面网格最大尺寸改为0.3，其他默认，生成面网格
- 注意：图形窗口中几何图形上显示的红色框是尺寸设置的图形表示。这些复选框的大小会随着值的变化而变化，可以使用“clear preview”按钮隐藏这些复选框
描述几何
- 几何类型选择The geometry consists of only fluid regions with no voids ，表示只有流体
- 其他默认
更新边界
- 速度入口、压力出口、对称边界、其他都是wall
更新计算域----应该只有一个fluid
添加边界层，使用默认值添加即可
生成体网格
- 网格类型选择poly-hexcore
- 其他默认
检查网格
- Mesh----check
保存网格文件

3. 计算设置

启动fluent，导入生成的网格。

3.1 GENERAL

检查网格：Domain → Mesh → Check → Perform Mesh Check
- 命令栏有网格信息，确保the minimum volume没有负值，否则无法计算
设置单位：Domain → Mesh → Scale… 检查单位是否正确
基于压力求解器
稳态求解

3.2 MODEL

开启能量方程
湍流模型选择K-omega模型----SST----其他默认

3.3 MATERIALS

从材料库中复制液体水
FLUID中有air和 water-liquid

3.4 Cell Zone Conditions

将流体域材料选择为water-liquid，表示流体域中是水在流动

3.5 Boundary Conditions

入口速度和温度根据条件给
选择强度和水力直径，水力直径对于圆和半圆来说就等于直径
- 水力直径定义：4倍截面积比湿周长
  Dh=4APwD_h=\frac{4A}{P_w} Dh=Pw4A
出口也只改强度和水力直径，其他默认

3.6 Solution

3.6.1 Method

保持默认

3.6.2 创建出口处平均温度的收敛定义

Solution → Reports → Definitions → New → Surface Report → Mass-Weighted Average…
命名：outlet-temp-avg
勾选Report File, Report Plot, Print to Console
frequency改成3
Field Variable中选择温度
surface中选择outlet面
ok----close

Solution → Reports Convergence… → Add → conditions选择con-outlet-temp-avg→Report Definition 选择outlet-temp-avg →Enter 1e-5 for Stop Criterion → Enter 20 for Ignore Iterations Before→Enter 15 for Use Iterations.→勾选print→Set Every Iteration to 3→ok→close

当前15次迭代的每个曲面报告定义值都在当前值的0.001%范围内时，这些设置将导致Fluent考虑收敛的解决方案。每3次迭代将检查值的收敛性。前20次操作将被忽略，以便解决任何初始解决方案动力学问题。请注意，打印到控制台的值仅为当前迭代值和以前迭代值之间的偏差。

3.6.3 Initialization

hybrid
initialization
保存case和data

3.6.4 Run Calculation

迭代150
calculate

3.6.5 Rulsults

残差

出口处平均温度

注意：通过右键单击图形窗口中的选项卡并从打开的菜单中选择“subwindow view”，可以同时监视两个收敛图。要返回选项卡式图形窗口视图，请在图形窗口标题区域上单击鼠标右键，然后选择Tabbed view，此外，还可以全屏显示。

TIPS：
fluent停止计算的三种情况：
1. 自定义收敛条件收敛，比如：曲面报告定义收敛到“收敛条件”对话框中指定的公差范围内；
2. 残余监控器收敛到“残余监控器”对话框中指定的公差范围内；
3. 已达到运行计算任务页面中请求的迭代次数
关于收敛的3个指标：
1. 残差已经降低到足够的程度。当达到每个变量的收敛标准时，解已经收敛。默认条件是，每个残差将减少到小于10–3的值，能量残差除外，其默认标准为10–6；
2. 解不再随着迭代次数的增加而改变。有时，残差可能不会低于案例设置中设置的收敛标准。然而，通过迭代监测代表性流量变量可能表明残差已经停滞，并且不会随着进一步迭代而改变。这也可以视为收敛；
3. 实现了总质量、动量、能量和标量平衡。可以在“flux reports”对话框中检查总质量、动量、能量和标量平衡。当解收敛时，净不平衡应小于通过域的净通量的0.2%。

第三个收敛标准的监测
- Results → Reports → Fluxes…
- Options中勾选mass flow rate
- boundraies选择所有入口和出口面
- compute
- 查看Net results是否<0.2%，入口流量总和应该基本等于出口流量
- 保存case和data 覆盖即可。

4. 初步后处理

4.1 Contours

velocity
- Results → Graphics → Contours → New…
- coloring选择banded
- contours of选择velocity
- surfaces选择对称面
- display

temperature
- Results → Graphics → Contours → New…
- coloring选择banded
- contours of选择temperature
- surfaces选择对称面
- display

4.2 Vectors

Results → Graphics → Vectors → New…
style选择arrow
skill和skip可以调箭头大小，自行设置，此处默认
surface选择对称面
vectors of选择velocity

4.3 在出口的中心线处创建一条线

Results → Surface → Create → Iso-Surface…
命名z=0_outlet
Surface of Constant选择mesh、z轴
iso values为0
surface选择outlet
create

4.4 XY plot

Results → Plots → XY Plot → New…
命名xy-outlet-temp
surface选择刚才创建的线
x轴默认
y轴选择温度
save/plot
勾选write to file
write

4.5 自定义字段函数并观察

观察函数
ρ∗∣v∣22\frac{\rho*\lvert v\rvert^2}{2} 2ρ∗∣v∣2

User Defined → Field Functions → Custom…
Field Functions中下拉选择密度→select →找到× →下拉选择速度 → select→ y^x→ 2→ /→ 2
命名
define→ close
Results → Graphics → Contours → New…
coloring选择banded
surface选择对称面
contours of选择custom field functions…并找到自己命名的函数
display
保存case和data，覆盖

5. 梯度网格自适应

在第一次运行中，已经使用相当粗糙的网格解决了弯头问题。通过细化网格以更好地解析流细节，可以进一步改进弯头解决方案。ANSYS Fluent提供了一种内置功能，可以根据解决方案梯度轻松调整（局部优化）网格。在以下步骤中，将根据当前解决方案中的温度梯度调整网格，并将结果与以前的结果进行比较。

Solution → Cell Registers→ New → Field Variable…
type选择cells more than
derivative option选择Curvature
Select Temperature… and Static Temperature from the Curvature of drop-down list
compute
0.0015 for the Cells having value more than
- 注意：一般规则是在设置细化值时使用最大梯度的10%左右
save
close
Domain → Adapt → Refine / Coarsen…
细化标准选择刚才创建的corvature_0
其他默认，adapt →display

关于更改显示适应后的网格：
单击display options...在“adaption controls”对话框中，打开“Display Options - Adaption”对话框，勾选draw mesh;
弹出对话框:options仅选择edges，边类型选择feature，选择处理创建的线之外的所有面，display，colse;
ok;display
Domain → Mesh → Display...：options仅选择edges，边类型选择all,surfaces选择对称面，display

再算150步

保存case和data，不要覆盖，新建

6. 适应后后处理

6.1 XYplot

Results → Plots → XY Plot → xy-outlet-temp Edit…
save/plot
勾选write to file
write…
命名：outlet_temp2.xy
ok–close

6.2 在一个图上显示两组数据进行对比

Results cPlots → Data Sources…→load file → 选中两个文件→ ok→ 更改lengend names→ 比如把outlet_temp2.xy命名为adapted mesh→ change legend entry→把outlet_temp1.xy 命名为before adaption→ change legend entry→ plot

7. 总结

通过本次算例复现，再次熟悉了fluent meshing水密型网格划分；对fluent简单流动传热的计算设置有了进一步了解。但是最主要的还是学会了一些fluent自身的后处理图，通过本例应该学会创建面、线、创建自定义观测函数、等值线观测，矢量观测，xyplot图的创建，并在一个图上如何显示两组数据。此外本例中还应用到梯度网格自适应，对于计算也是很有帮助的！