周期性三维流动及换热

-周期性三维流动与传热本算例所要解决的问题如下：一块用于换热的模板,在水平方面有3排冷油通道，在垂直方向有一列热水的通道，两者之间周期性交替分布很大的区域，如下列图所示只是其中一局部。冷油出口以280K的温度、的速度从每个大圆孔进入20mm长的通道，从后面的小圆孔流出，出口连接大气压为1个大气压；热水以330K的温度、的速度由上端进入通道，从下部流出，出口连接大气压为1个大气压。图1 模板局部示意图分析：由于该算例所需模拟的区域很大，假设全部计算的话工作量太大，且具有一定的周期性，故可以引入周期边界来模拟。而在fluent6.3中提供了两种类型的周期性边界条件：一是周期性平面没有压降的周期流，二是周期性平面有压降的周期流，主要用于模拟完全开展的周期性流动。下面分两局部进展模拟，第一局部为模型的建立，第二局部为用fluent模拟。注：以下以下一级菜单。一、利用gambit创立集合模型建模时，采用先建冷油通道，再建立模板，最后扫略出热水通道的方法。1、创立冷油通道1创立圆柱和圆台 / 具体数据及选项如图1、2、3所示：图1 半径为4高10的圆柱图2 上半径为2下半径为4高5的圆台图3 半径为2高5的圆柱图4 移动圆台2移动圆台和小圆柱移动圆台：具体数据及选项如图4所示：移动小圆柱时，与上述操作一样，只需选择小圆柱并将偏移量改为0，0,15既可。(3)合并两个圆柱与圆台生成冷油通道运用布尔运算：，选择三个体然后单击Apply。5移动冷油通道并平移复制移动：操作同2，只需选择冷油通道，并将偏移量改为5,5,0。平移复制：操作同2，只需选中Copy并将其对话框里修改为2，偏移量为0,10,0。生成如图5的模型。注：为防止从gambit里截出的图不清楚，在此需要对其背景及图线颜色进展更改。更改背景的方法如下：EditDefaultGRAPHICS，将单击WINDOWS-BACKGROUND-COLOR选项，这样Modify Reset选项就变成了WINDOWS-BACKGROUND-COLOR，然后将其后的VALUE改为white并按Enter键，然后单击Close退出。更改图线颜色的方法如下：，单击Volume选项后面的黑色箭头，选中All，然后单击Geometry后面的颜色条，并点击新弹出的对话框里的color选项black，最后单击Apply退出颜色选择，再次单击Apply，确定将颜色改为黑色。图5 生成的模型6创立和平移长方体创立*=10，y=30，z=20的长方体：，具体数据如图6；平移长方体操作同2只需将偏移量改为0,15,10，偏移完成后如图7所示。图6 创立长方体图7 偏移完成后的模型7分割体并删除多余局部用面分割体：，用长方体也就是模板的与冷油通道相交的面分割三个冷油通道，为下一步镜像体做准备，此处注意必须每次都要选择retain，目的是为接下来的分割以及周期性条件设定做准备，具体操作如图8所示分割其他冷油通道时，只需要将Volume选项更改为Volume.3和Volume.4即可。：图8 分割冷油通道图9 删除模板外的冷油通道删除模板外的冷油通道：，具体操作如图9所示，删除完毕后模型如图10所示。图10 删除后模型8镜像冷油通道镜像体：，具体操作如图11所示。然后单击Reflection Plane下面的Define，镜像时的方向矢量-1,0，0定义如图12所示。图11 镜像冷油通道图12 方向矢量定义注：这里对方向矢量的定义采用了两点式，先单击Point 1并输入起点坐标0,0,0，再单击Point 2并输入终点坐标-1，0,0，然后单击Apply，从而完成对镜像矢量的定义。镜像完成后的模型如图13所示。图13 镜像后模型9建立热水通道的模型对于热水通道的模型，本算例中采取了由点到线，再由线到面，再由面扫略出体的方式。建立点：建点时采用了坐标输入的方式。如图14所示，其坐标如下：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，每输入一个坐标，单击一次Apply。由于这些点在*-z平面，所以右击一下Global 图14 建立热水通道的点Ctrl里的，并选择*-z平面视图，就会显示如图15。由点建线在*-z平面下：，具体操作如图16所示，选取点的时候按顺序依次选取。由线建面：，具体图15 冷油通道坐标图操作如图17所示，选取的线要封闭。图16 由点建线图17 由线建面由面建体：，这里采用的是由面扫略成体，所以要指定一个扫略方向，由于热水通道是沿着y轴正方向的，所以可选与y平行的边作为扫略方向，如果所选边的方向是y轴反向，则可通过按鼠标中键来改变。具体操作如图18所示。扫略后形成的体如图19所示。图18 由面扫略出体图19 扫略后的热水通道10从模板中减去剩余体布尔减：，此处要保存剩余体，因为在后面周期性条件设置要用模板与冷油通道相交的面做周期循环。具体操作如图20所示。图20 从模板中减去剩余体11合并重合面此处需要合并重合面，因为刚刚在减体时保存了剩余体，这样就跟剪完后的模板有很多重合面，如果不合并的话在fluent里会默认为Wall从而造成算例失败，假设是修改Wall的话由于重合的面太多会造成工作的繁琐。合并：，由于此命令的功能是合并所有能合并的重合面，所以单击Faces选项后面的黑箭头，并选中All，再单击Apply。12周期边界的面由于模板两个侧面与冷油通道相交的面是周期边界面，在周期性边界设计时两侧的网格必须保持一致，所以应将两侧面建立Link关系。在该算例中总共有7组相互对应的面见图21，需要一立Link关系。建立Link：，弹出如图22所示的对话框，单击上端的Face选项，选择其中一个面，单击其下的Vertices选项，并选择该面上的一个点；单击下端的Face选项，选择与上面Vertices选项，并选择该面上与上面Vertices选项中选择的点相对应的一个点，选中Reverse Orientation和Periodic选项，单击Apply，就完成了一组面的Link连接设置。重复类似操作，把所有的对应面都起来。图21需要建立Link的面图22 建立Link注：gambit里默认的是不选Periodic，所以每次选完面和点一定要注意单击Periodic。13划分体网格划分体网格：，具体操作如图23所示，这里要选中所有体。14隐藏网格由于该算例的网格数较多，且边界条件较多，为方便设置，故隐藏网格。单击Global Ctrl里的，只需将弹出的对话框里的Mash选项关掉，具体操作见图24。图23 划分体网格图24 隐藏网格2、利用gambit初定边界条件本算例中需要对流体区域条件和流体边界条件做设置，下面先设置其流体区域条件，再设置其边界条件。1指定流体区域指定流体区域：，按图25、26、27完成对冷油、热水及模板的设置。图26 指定热水区域图25 指定冷油区域图27 指定模板区域注：本算例中设置了流体和固体两种区域，这两种区域之间的公共面如果不去指定边界类型或者指定为Wall类型的边界，将会默认为耦合壁面。在倒入到FLUENT6.3中后会出现“shadow壁面，而该耦合壁面的对流换热系数是通过FLUENT6.3本身的计算得到，故在接下来的边界条件设置时，将三个区域之间的边界设为Wall。2设定流体边界条件边界条件的设定：，在弹出来如图28所示的对话框里，其中只需要修改Name、Type和Faces，现将所修改工程列表如下。表1 边界条件修改容Nameperiodicoil-inoil-outoil.moban.coupleTypePERIODICVELOCITY-INLETPRESSURE-OUTLETWALLFace模板两侧面/14个冷油通道大圆柱端/6个冷油通道小圆柱端/6个所有圆柱及圆锥面续表1Namewater-inwater-outwater.moban.coupleTypeVELOCITY-INLETPRESSURE-OUTLETWALLFace热水通道Y值最大端面热水通道Y值最小端面冷水通道的侧面/4个3导出Mesh文件FileE*portMesh，在弹出的新对话框中单击Accept。4保存文件FileE*it，在弹出的新对话框中单击Yes。图28 边界条件设定二、利用FLUENT6.3进展后处理1导入网格FileReadCase，在弹出的窗口中找到保存的“.Mesh文件。导入完成后，会显示如图29所示的一系列Warning，这是由于周期性条件及耦合壁面造成的，只是提醒作出设置。图29 导入网格产生的Warning2检查及标定网格检查网格：GradeChack。标定网格：GradeScale，将网格单位由m改为mm，并单击Change Length Unites，再单击Scale，最后单击Close。3选择计算模型l 选择求解器由于本算例采用FLUENT默认的求解器，故不用修改。l 启动能量方程 DefineModelsEnergy，在弹出的Energy对话框勾选Energy Equation复选框，并单击OK按钮。l 选择层流模型由于FLUENT里默认的粘性模型为层流模型，刚好满足本算例，故不需修改。4设置物性参数本算例中设计到两种流体液态水和油和一种固体钢，而液态水和钢在数据库中都能找见，所以只需加载，油则需要自己定义。l 加载液态水和固体钢 DefineMaterials，在弹出的Materials对话框中单击Fluent Database，将新弹出的对话框中的Material Type改为fluid，然后在Fluent Fluid Material中选择water-liquid，依次单击Copy和Close。再单击Change/Close按钮。对固体钢的设定同液态水，不同的是将Material Type改为Solid，并将Fluent Fluid Database改为steel即可。l 自定义液态油 DefineMaterials，将Material Type改为solid，并将Properties下面的Density改为830，Cp改为2540，Thermal Conductivity改为0.8，Viscosity改为0.00061，再在Name中输入oil，然后单击Change/Creat按钮，最后在新弹出的对话框中单击No，最后单击Close。5设置运行环境由于本算例不计重力，所以不需要修改。6设置边界条件DefineBoundary Conditions，在弹出的对话框中做如下设置：定义冷油区域在Zone中选中cold-oil，Type中选中fluid，单击Set，将新弹出的对话框里的Material Name改为oil。定义热水区域在Zone中选中hot-water，Type中选中fluid，单击Set，将新弹出的对话框里的Material Name改为water-liquid。定义模板区域在Zone中选中moban，Type中选中solid，单击Set，将新弹出的对话框里的Material Name改为steel。定义油及热水的入口边界在Zone中选中oil-in，单击Set，将新弹出的对话框里的Velocity Magnitude改为0.01，再单击Thermal选项卡并将Temprature改为280。热水的边界条件设置同油，只需将Velocity Magnitude改为0.02， Temprature改为330。定义油及热水的压力出口边界由于压力出口边界已经在gambit中设定好了，故在此不需要修改。定义耦合壁面在Zone中选择，单击Set，单击新弹出的对话框里的Thermal选项卡，由于Thermal Conditions默认的就是Coupled，且Wall Thickness和Heat Generation Rate均默认为0，正好符合要求，故只需要将Material Name改为steel即可，最后单击OK按钮。对于做同样的设定。定义空气接触壁面在Zone中选择Wall，单击Set，单击新弹出的对话框里的Thermal选项卡，选中Thermal Conditions的Convection，并将Heat Transfer Coefficient及MaterialName分别改为30和steel，最后单击OK。7设置周期性边界条件DefinePeriodic Conditions，本算例采用的是无压降的周期流与FLUENT里默认的见图30一致，所以直接点OK。8求解策略求解器选择 SolveControlsSolution如图31所示，由于该求解器正是本算例所需要的，所以直接点OK按钮。设置残差监视器 SolveMonitorsResidual，如图32所示，由于该残差监视器正是本算例所需要的，所以选中Plot，即图30 周期性边界条件设置动态显示残差图，然后直接点OK按钮。9初始化SolveInitializeInitialize，在弹出的对话框中的pute From下拉列表中选择则all-zones，然后依次单击Init和Close。图31 确定求解器图32 确定残差监视器10保存Case&Data文件FileWiteCase&Data，选择好保存位置，然后单击OK。12迭代计算SolveIterate，在弹出的Iterate对话框中将Number of iteration选项改为100，然后单击Iterate。方程在大约44步时收敛，残差图如图33所示。注：截取残差图时需要修改背景颜色，修改方法如下：FileHardcopy，在弹出的对话框中作如图34的修改。图33 动态残差图图34 修改背景颜色13创立平面SurfaceIso-Surface，弹出Iso-Surface对话框，在此对话框过点击pute可计算输入值的围。下面按图35和图36设置分别建立*=0和z=10的平面。图35 建立面*=0右图图36建立面z=10下列图14查看温度分布DisplayContours，在弹出的对话框中做如下设置，选中Options里的Plot，将Contours of的下拉列表选为Temprature和Static Temprature，Surfaces选*=0、z=10和periofic，选择其他面时，然后单击Display温度分布如图38、39、40所示。图38 *=0、z=10、periodic面的温度分布图图39 oil-in、oil-out、water.in、water.out和Wall的温度分布图和的温度分布15平面温度的加权平均值ReportSurface Integrals，将弹出的对话框中的Report Type改为Area-Weighted Average，将Field Variable改为Temprature和Static Temprature，将Surfaces选中water.in、 water.out、 oil.in 和oil.out，最后单击pute。FLUENT的主显示区中显示的油的出、入口，水的出、入口平均温度的加权平均值如图41所示。图41 平均温度加权平均值16耦合壁面导热率ReportFlu*es，在弹出的对话框中做如下设置。将Options改为Total Heat Transfer Rate，并将Boundaries中选中和，然后单击pute。FLUENT的主显示区中显示的耦合壁面导热率如图42所示。图42 耦合壁面导热率. z.