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基于 FLUENT的混合器内部流场数值模拟


基于 FLUENT 的混合器内部流场数值模拟
文媛媛 (武汉理工大学 汽车学院,湖北 武汉 430070)
【摘要】本文介绍了 FLUENT 软件的主要特点及其在冷热水混合器内的应用情况。通过使用 FLUENT 软件的标准 k-ε 湍流模型对冷热水混合器进行三维数值模拟,分析其内部流场变化情 况。通过模拟,能真实反映混合器内部的复杂流动,为混合器的设计和改进提

供理论依据。

【关键词】CFD FLUENT 冷热水混合器 标准 k-ε湍流模型

Numerical Simulation of Inner Flow in Mixture Based on FLUENT
WEN Yuanyuan

(Automotive Department, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070)
Abstract:This paper introduces the main features of the FLUENT software and its application in the hot and cool water mixture. The 3-D hot and cool water mixture was simulated numerically by the standard k-ε turbulent model in FLUENT and analyzed the changes in internal flow field. The simulation reflects the complex flow in hot and cool water mixture, at the same time, which provides a theoretical basis. Key words:CFD;FLUENT;hot and cool water mixture;standard k-ε; turbulent model [1] 最多、最流行的商业软件之一。 自其上市 0 引言 以来, 在全球众多的CFD 软件开发研究厂 商中, FLUENT 软件占有最大的市场份额。 工程热水恒温混合器,是为适应 独特的优点使FLUENT 在水利船舶、材料加 中央热水工程向大型化、自动化和人性 工、燃料电池、航空航天、旋转机械、噪声 化发展的技术要求而研发的,是为太阳 [2] 污染、核能与动力等方面均有广泛应用。 能热水工程和各种生活热水供水系统专 FLUENT软件的最大特点是具有专门几 门配套的一种全自动洗浴水恒温控制设 何模型制作软件Gambit模块,并可以与CAD 备。广泛适用于宾馆、饭店、学校、医 连接使用,同时备有很多附加条件和附加方 院、厂矿、机关及洗浴中心、游泳池等 程添加接口, 使用了目前较先进的离散技术 大中小型生活热水系统。由于混合器的 和计算精度控制技术,如多层网格法、快速 广泛应用,混合器内的各个流场也受到 收敛准则以及光滑残差法等,数学模型的离 内流研究者的广泛关注。 散化和软件计算方法处理较为得当。 实际应 用中发现,该软件在模拟单相流动或进出口 1 FLUENT软件简介 同向或反向流动时, 可以得到较好的模拟计 算结果,且具有一定的计算精度。FLUENT软 FLUENT是美国FLUENT 公司开发的集流 件包主要具有常用的6种湍流数学模型、辐 场、燃烧和热、质量传输以及化学反应于一 射数学模型、化学物质反应和传递流动模 体的商业CFD 软件, 也是目前国内外使用

型、污染物质形成模型、相变模型、离散相 模型、 多相模型、 流团移动模型、 多孔介质、 多孔泵模型等。 FLUENT软件的核心部分是纳维- 斯托 克斯( Navier-Stokes)方程组的求解模块。 用压力校正法作为低速不可压流动的计算 方法,包括SIMPLE、 SIMPLEC、 PISO三种算法, 采用有限体积法离散方程, 其计算精度和 稳定性都要优于传统编程中使用的有限差 分法。 而对可压缩流动采用耦合法, 即将连 续性方程、动量方程以及能量方程联立求 解。FLUENT 软件主要由前处理、求解器以 及后处理3 大模块组成。采用自行研发的 GAMBIT前处理软件来建立几何形状及生成 网格, 然后由FLUENT 进行求解。 FLUENT软件主要包括一下几个部分: ⑴ FLUENT6.0—基于非结构化网格的 通用CFD求解器, 是用有限元法求解不可压 缩流及中度可压缩流流场问题的软件; ⑵ GAMBIT—面向CFD 的几何建模和网 格生成软件, 目前是CFD 分析中最好的前 置处理器; ⑶ FIDAP—基于有限元方法的通用CFD 求解器; ⑷ prePDF—用于模拟PDF 燃烧过程; ⑸ TGrid—专用的网格生成软件。 从以上介绍中可以看出, FLUENT软件可 用于求解在复杂物理结构下的流体运动及 热传输问题。其基于CFD软件群的思想, 针 对各种复杂流动的物理现象, 采用数值解法, 以期在计算速度、 稳定性和精度等方面达到 优化组合,从而高效地解决各个领域的复杂 流动计算问题, 模拟流动、 传热和化学反应 等物理现象。

合后经过下部渐缩管道流入等径的出流管, 最后流入大气。 不可压缩流体的连续性方程在空间直 角坐标系中的表达式为
?vx ?v y ?vz + + =0 ?x ?y ?z

(1)

对于不可压缩黏性流体的N-S方程,在 空间直角坐标系中的表达式为
x? ? ? 2 v ? 2 v ? 2 v ? dv 1 ?p ? ? + η ? 2x + 2y + 2z ? = x ρ ?x ?x ?y ?z ? dt ? ? ?
? ? 2 v ? 2 v ? 2 v ? dv 1 ?p ? ? + η ? 2x + 2y + 2z ? = y ρ ?y ?y ?z ? dt ? ?x ? ?

y?

z?

? ? 2 v ? 2 v y ? 2 v ? dv 1 ?p ? ? + η ? 2x + 2 + 2z ? = z (2) ρ ?z ?y ?z ? dt ? ?x ? ?

上述方程(2) 再加上连续性方程(1) 原则上就可以求得不可压缩黏性流体流场 的解。 但由于N-S 方程中出现了速度的二阶 导数,它的普遍解在数学上还有困难,只有 某些特殊情况才能使方程得到充分简化,求 出近似解。 由于此流场处于湍流状态,因此采用标 准的k-ε方程模型。 标准k-ε方程模型的 湍动能k 和耗散率ε方程如下

? ( ρk ) ? ( ρκυi ) + = ?t ?xi
? ?x j ?? ?i ?? ? + σk ?? ? ? ?k ? ? + GK + Gb ? ρε ? Ym + S k ? ? ?x j ? ?
(3)

σε ? ( ρε ) +
? ?x j

? ( ρευi ) ?xi

=

2 控制方程和数值模拟

?? ?t ? ?ε ? ε ε2 ?? ? + ? ? + C1e ( Gk + C3eGb ) ? C2 eρ + Se σε ? ?x j ? k k ?? ? ?

(4) 2.1控制方程与标准k 2.1控制方程与标准k-ε湍流模型 控制方程与标准 本文主要分析冷水和热水分别自混合 器的两侧沿水平切线方向流入, 在容器内混 式中: K 为由于平均速度梯度引起的 G 湍动能, Gb 为由于浮力引起的湍动能,

Ym 为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的
影响。 湍流黏性系数: ?t = ρC?

k2 ε

(5)
图1 网格划分示意图

在FLUENT中,作为默认值常数, C1ε = 1. 44, C2ε = 1.92, C3ε = 0.09 ,湍动能k 与 耗散率ε的湍流普朗特数分别为 σ k =1.0,

2.3设置边界条件 2.3设置边界条件 入口边界:混合器入口速度可以认为 是均匀分布的, 分析的流体是稳态不可压缩 的水。冷水入口速度大小1m/s,温度280k, 热水入口速度大小1m/s,温度320k,冷热水 入水口的湍动能κ和湍能耗散系数ε分别 按5%的湍流强度和2mm水力直径计算确定。 出口边界:由于系统背压的存在,对 于流出区域,采用压力形式边界。压力边界 值设置为P=1.3e+05pa,即表压设为0pa。 壁面条件:固体壁面上采用无滑移条 [4] 件。

σε = 1. 3。[2]
2.2几何模型和网格划分 2.2几何模型和网格划分 计算网格生成是计算流体力学和其他 数值模拟技术的一个重要组成部分, 是促进 CFD工程使用化的一个重要因素。网格生成 过程就是把一个给定的区域(或几何体)分 解成有限单元, 以便使偏微分方程有较好的 数值解。 网格生成是连接几何模型和数值算 法的纽带, 几何模型只有被划分成一定标准 的网格时才能对其进行数值求解, 网格划分 越细, 得到的结果就越精确, 但耗时就越多。 由此可以看出, 网格生成是进行数值计算的 第一步,有着极其重要的地位。 本文研究了不同结构混合器, 以进水口 直径不同时的模型为例来进行模拟仿真。 其 进、出口管径分别为2mm,4mm,混合器直 径为20mm,高度为8mm。利用GAMBIT建立 混合器的几何模型,利用TGrid程序对整体 进行网格划分(采用四面体网格) 。划分好 网格后,检查网格的划分情况。图1是以进、 出水口直径为2mm为例来说明网格划分, 直 [3] 径为4mm模型的划分思路一样。

3 计算结果与分析
笔者采用标准壁面函数、 分离隐式求解 器进行模拟。 进口条件湍流模型κ和ε的指 定采用湍流强度与水力直径。 在求解中分别 选用标准κ-ε模型,模拟计算三维冷热水 混合器内部液体流动状况。结果显示,入水 口半径为1mm时,标准κ-ε湍流模型在158 次迭代时达到收敛,当入水口半径增大到 2mm时,模型在迭代108次时就达到收敛。各 自的计算残差图如下图所示。

图2 r=1时残差图

图6

r=1

图3

r=2时残差图

3.1温度分布图的比较 3.1温度分布图的比较 图4和图5分别是入流口直径为2mm和4mm时 z=4平面上的温度分布图,图6和图7分别是 壁面上的温度分布,通过比较可看出,当入 流口直径较大时, 单位时间内进入混合器内 流体质量较多, 混合器内同一位置温度梯度 小,但是最终都趋于同一温度300k。

图7

r=2

3.2 速度矢量图的比较 图8和图9分别是入水口半径为1mm和 2mm时z=4平面上的速度矢量图,经分析可 得,流体以1m/s流进混合器,随着入水口的 增大,进入混合器的流体速度也增大,从图 中可看出,当r=2时,流体混合较充分。图 10和图11分别是x=0平面上的速度矢量图及 速度矢量局部放大图。从图10b中可以很明 显的看到水流在混合器的壁面产生漩涡, 涡 量是流体产生回流的量度。入口处,流量大 而入口截面积小容易导致回流, 漩涡一方面 造成水流的局部压力损失; 一方面造成混合 器内流体流动分布的不均匀。 当入水口半径 增大(图11b)时,漩涡现象明显减小,减 少了水流混合时的能量消耗, 有利于冷热水 的充分混合。

图4 r=1

图5 r=2

图8 r=1速度矢量图

图9

r=2速度矢量图

图12和图13分别是半径为1mm和2mm时z 轴上的压强分布图,当z=0~8mm时,压强趋 于稳定值,由于入水口半径为1mm的混合器 内存在漩涡,造成压力损失,直线有稍微波 动;当z=0~-5mm时,流体经混合器流经下 部圆锥容器内,此时压力急剧下降,当 z=-5~-10mm时,流体从锥型容器经出水口 流出,因为流体进入半径较小的出水管,由 于涡旋的存在导致流体的压力继续减小, 直 到流出时压力为零。

图10a r=1速度矢量图

图12 r=1时压强分布

图10b r=1速度矢量局部放大图

图13 r=2时压强分布

4

结论

图10b r=1速度矢量局部放大图

图11b r=2速度矢量局部放大图

3.3中心线上的压强分布 3.3中心线上的压强分布

1) 本文介绍了作为主流CFD 软件 FLUENT 的主要特点,举例说明了FLUENT软 件在冷热水混合器中的应用。 采用FLUENT中 的标准 k-ε湍流模型进行计算, 对液体分 布器内部流场进行了分析, 能捕捉到混合 器内部流场的许多规律性的东西, 准确反映 混合器内部温度、速度流场,对混合器的设 计和改进有很好的指导作用。 2)对不同直径进水口的混合器模拟结 果表明, 入流口直径的大小对混合器的内部 流场有一定影响。 增大入流口直径可以缓解 涡旋现象,减小流体内速度分布的不均匀 性。 3) CFD可以很容易实现变结构的流动计

算, 并提供大量详细的流动信息, 省时省力, 具有试验研究无法比拟的优点, 其结果具有 [6] 很强的指导意义。 参考文献
[1] ANSYS Inc. FLUENT 612 UDF manual [M] South2pointe , USA: Fluent Inc. , 2005. [2]马艺, 金有海, 王振波.FLUENT软件在液-液旋流器中的 应用[J]。过滤与分离, 2008, 18( 2) . [3]王福军。 计算流体动力学分析———CFD 软件原理与应用 [M]。北京:清华大学出版社,2004. [4] 韩占忠等。FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用[M]。 北京: 北京理工大学出版社, 2004. [5]孟庆龙。王元。闫秀英.冷热水混合器出水温度控制系数 参数估计法[J]西安交通大学报,2008,42(11). [6]熊朝坤,余波,姚远.一种新型流体混合装置的探讨[J].西 华大学学报:自然科学版, 2005(S0): 202-208.

1、字体字号记得修改 2、结论的结束对不齐


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