[计算流体力学][Ansys Fluent] 使用 Fluent 计算方腔热对流和卡门涡街

一、题目

二、Fluent 介绍

基本功能介绍：
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiGzpaZuqT4AhXlRmwGHQDDCqsQFnoECDcQAQ&url=https%3A%2F%2Fwebspace.clarkson.edu%2Fprojects%2Ffluidflow%2Fpublic_html%2Fcourses%2Fme527%2Fdownloads%2FANSYS%2520Fluent%2520Tutorial%2520Part%25201.pdf&usg=AOvVaw21lxPsgsOJee22FeRyKjZ-

官方帮助文档：
https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/ug/node1484.htm
藏得好深……而且对于具体的选项他也没有过多解释，比如我想看密度设置中不同的选项有什么意义，他没有，无敌

官方原理讲解：
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi8uO_23KX4AhVaSmwGHd32CZwQFnoECAQQAQ&url=http%3A%2F%2Fwww.pmt.usp.br%2Facademic%2Fmartoran%2Fnotasmodelosgrad%2FANSYS%2520Fluent%2520Theory%2520Guide%252015.pdf&usg=AOvVaw2QBffFccZDmNs5c-o0fdth
适合学霸钻研hhh

1.建模

进入 Geometry-DesignModeler

要在 DesignModeler 中选择面定义命名空间，方便之后再求解器中定义边界条件

一开始我是建成了一个立体图形，因为我看别人计算翼型的时候也是这么建的。但是我之后又看到一个使用平面的教程，所以我就改成平面了

2.生成网格

进入 Mesh

如果网格不够细，可以在树形菜单点击 Model-Mesh，在细节菜单中点击 Sizing-Max Face Size，修改为一个较小的数值，细分网格

给边界添加命名空间
不一定要在 DM 中加命名空间，Mesh 中也可以

3.定义边界

进入 Solution

初始界面为

如果不按照 inlet outflow 来命名，程序就会随机选择一个命名空间作为界面

4.求解器设置-通用

4.1 种类

压强基用于低速不可压流或高速可压流
密度基用于依赖于密度，能量，动量以及流体种类的流动

4.2 速度公式

绝对用于流场主体无旋
相对用于流场有旋

4.3 时间

稳态求稳态解
瞬态用于解是关于时间的函数时

4.4 2D空间

平面普通的 2d 迪卡尔坐标系
轴对称流场关于轴对称
带旋流的轴对称流场关于轴对称，但是可能具有切向速度

4.5 重力

包含了重力和浮力，还可能用于粒子追踪

对于方腔环流和长方形腔内的卡门涡街的问题，保持默认设置即可。

要显示定义好的线，点击显示网格

如仍未看到，可以点击适应窗口尺寸

5.求解器设置-模型

5.1 能量

用于热量传输方程，以及与温度有关的方程，例如扩散、气体密度、相对湿度

5.2 粘性

用于指定怎么简化求解 NS 方程。可以选择层流或者紊流，紊流常用的是 k-epsilon 模型

5.3 组分

用于多种组分（如不同的相对湿度）混合或扩散时

5.4 离散相

用于追踪流体中的粒子

对于方腔热对流，要打开能量选项

6.求解器设置-材料

设置密度、比热容、热导率、粘度等

6.1 密度

Boussinesq 近似是解决非等温流动的一种流行方法，因为在解决这种方法时计算成本较低，并且更有可能实现收敛。当密度变化很小时，近似值是准确的，因为这减少了问题的非线性。它假设密度的变化对流场没有影响，不产生浮力。在更实际的应用中，这种近似通常用于模拟室温附近的液体、建筑物中的自然通风或工业装置中的稠密气体扩散。

对于方腔热对流，可以使用Boussinesq 近似

7.求解器设置-边界条件

入口可以设置速度，温度等
在设置-模型中开始某个选项后才能设置相应的参数，例如开始了能量选项之后才能设置边界的温度

出口流速加权允许拆分多个出口，例如出口1的权为 0.2，出口2的权为 0.8

壁面可以选择是否有滑移

对于方腔热对流，需要设置入口和出口速度为 0，并设置两个壁面的温度为有一个差值

8.求解器设置-求解方法

8.1 方案

SIMPLE(Semi‐Implicit Method for Pressure-Linked Equations) 压强相关方程的半隐格式，默认选项，鲁棒性好
SIMPLEC(SIMPLE-Consistent) 对简单问题更快收敛（例如，没有使用物理模型的层流）
PISO(Pressure‐Implicit with Splitting of Operators) 压力的隐式算子分裂法用于非稳态问题或者高偏斜度的网格划分

8.2 梯度

Green-Gauss Cell Based 默认方法，求解可能出现错误的扩散和拖尾
Green-Gauss Node Based使错误的扩散最小化，推荐用于三角形和四边形网格
Least Squares Cell Based 用于多边形网格，和 Green-Gauss Node 相同精度

8.3 压力

Standard 默认方法，当边界法向的压强梯度很大时，精度会下降。当流场中出现陡峭的压力变化时应使用 PRESTO!
PRESTO! 用于大旋度，陡峭的压力变化，或曲形流场
Linear 当其他选项不收敛或者物理表现不正常时使用
Second-Order 用于可压流
Body Force Weighted 当力很大时，例如高瑞利数，有旋流

8.4 动量

First Order Upwind 最容易收敛，只有一阶精度，具有流散性，即可能消去了大梯度，可能抑制微小的流动特征
Second Order Upwind 二阶精度，当流动不与网格划分方向对齐时必须使用（例如三角形四边形网格）

9.计算监控

残差值用于判定什么时候收敛

10.初始化

标准初始化使所有网格都为一个值，该值可以自己配置
混合初始化通过求解拉普拉斯方程，快速估计物理量的值

三、方腔热对流

1.网格划分

画一个矩形，做成一个面体，给四条边各自命名。

2.定义材料

对于方腔热对流，可以使用Boussinesq 近似。

3.定义单元区域条件

进入设置-单元区域条件-工作条件，为了使用 Boussinesq 近似，开启重力选项。
设置重力加速度和工作温度，如图：

4.设置边界条件

进入设置-边界条件-壁面，选择定义好的一条边的命名空间，设置温度，如图：

5.设置求解方法

使用默认值

6.设置求解精度

进入求解-计算监控-残差，设置能量的求解精度为 1e-10，如图：

7.初始化

已知流场初始为 300K 的温度，因此可以设置直接初始化，如图：

8.运行计算

进入求解-运行计算，设置迭代次数，如图：

9.输出云图

进入结果-图形-云图，双击其中一个云图项目，更改着色变量为温度，勾选填充、轮廓等选项，确认，如图：

这是普通云图的画法。要输出无量纲的温度图，还需要对计算结果进行处理。
进入参数和定制-定制场函数，输入温度的无量纲化公式：

进入求解-运行计算-数据文件数量，在更多数量一栏中选择新建的场函数

进入结果-图形-云图，选择任意一图，更改着色变量为 custom field function，再下一栏选择新建的函数，绘图。

10.结果

图1 Ra = 1e4 时的方腔热对流的无量纲温度云图

图2 Ra = 1e5 时的方腔热对流的无量纲温度云图

图3 Ra = 1e6 时的方腔热对流的无量纲温度云图

四、卡门涡街

1.网格划分

画一个长宽比1:5的矩形，在中轴线上画一个圆，做成一个面体，给四条边和圆各自命名。

一开始我的网格是这样

后来觉得还是太小了，画图的时候看不出来什么，所以又加密了

2.设置时间

进入设置-通用，在时间一栏选择瞬态，这样才能根据时间步运行计算

3.定义材料

使用默认。

4.定义单元区域条件

使用默认。

5.设置边界条件

进入设置-边界条件-壁面，选择速度入口，设eV=1.45e-4,2.90e-4,1.45e-3,2.90e-3,1.45e-2m/s

要设置不同的入口扰动条件，可以修改湍流强度。

6.设置求解方法

使用默认值。

7.设置求解精度

使用默认。

8.初始化

使用默认。

9.设置云图

先设置一个显示速度的云图，用于为动画提供选项。

10.设置动画

进入求解-计算设置-解决方案动画，选择刚刚新建的云图，新建动画

11.运行计算

进入求解-运行计算，设置时间步数和时间步长，计算
这个时候就会记录动画

12.播放动画

进入结果-动画-播放，选中新建的动画，按三角形的播放按钮，可以看到动画
选择写入/记录格式，可以写出动画

一开始不推荐设置动画再求解，因为无法确定当前条件下可以模拟出涡街，推荐慢慢调试求解直到出现涡街再设置动画。

13.结果

一开始做出来的效果不是很好

图4 Re = 50,100,500 时的卡门涡街的速度云图

图5 Re = 1000 时的卡门涡街的速度云图

图8 Re = 10000 时的卡门涡街的速度云图

但是起码能够看出来这个趋势是在的

设置时间步长为 0.01，迭代到 300s

图9 Re = 5000，入口湍流强度 5%

图10 Re = 10000，入口湍流强度 5%

图11 Re = 20000，入口湍流强度 5%

图12 Re = 10000，入口湍流强度 10%

图13 Re = 10000，入口湍流强度 15%