【FLUENT案例】01：T型管混合器中的流动与传热

案例目录

1 引子

1.1 案例描述

本案例进行T型管中的流动模拟，流体以不同的温度进入T形管，通过计算模拟混合过程。

1.2 案例学习目标

本案例主要描述FLUENT界面的使用，包括CFD的全部过程，包括：

读取网格
选择计算模型
选择并设置材料属性
定义边界条件
设置计算监视器
运行求解器
后处理

2 计算仿真目标

仿真的对象为冷热水在T型管内的混合过程
计算仿真的目的在于确定：

1.流体混合程度
2.混合过程的压力降

3 启动FLUENT并读入网格

本案例利用workbench中的FLUENT模块，也可以使用独立版本的FLUENT进行。

1.启动Workbench，利用菜单Files | Save as…保存新的文件mixing_tee
2.从左侧的Component Systems列表中选择拖拽Fluent至右侧项目窗口中
3.右键选择单元格Setup，选择子菜单Import FLUENT Case | Browse
4.在打开的文件选择对话框中，修改文件过滤选项为Fluent Mesh File
5.选择网格文件Mixing_tee.msh，点击OK按钮确认选择
如下图所示。
6.返回至项目面板，鼠标双击Setup单元格启动FLUENT，如下图所示，可以根据自身计算机性能选择串行或并行计算（如下图所示采用并行4核计算）
7.点击OK按钮进入FLUENT工作环境

4 FLUENT工作界面

FLUENT17.0工作界面如图所示。主要包括5个部分：

1.Ribbon菜单。里面包含了所有的操作按钮
2.模型树。包含了CFD仿真流程中所需的所有节点
3.参数设置面板。对应不同的模型树节点所需的参数设置
4.图形显示窗口。
5.TUI及消息输出窗口

5 网格缩放及检查

在导入计算网格后，第一步要做的操作是检查导入的网格有效性及网格质量。

选择而模型树节点General
在右侧面板中点选按钮Check，TUI窗口反馈信息如下图所示。
注意：主要检查两个参数：一个是Domain Extents，查看计算域尺寸是否与实际尺寸相符，若不相符则需要对计算域进行缩放；另一个为mimimum volume，必须确保最小体积大于0
2.选择面板中的Report Quality按钮，查看网格质量。TUI命令窗口显示网格质量如下图所示。

给出了三种网格质量：Minimum Orthogonal Quality、Maximum Ortho Skew 及Maximum Aspect Ratio，其中Minimum Orthogonal Quality的范围为0-1（1为理想网格），Maximum Ortho Skew的范围为0-1（0为理想网格），Maximum Aspect Ratio越小越好。

6 修改单位

修改温度的单位为摄氏度。点击General设置面板中的Units…按钮弹出单位设置面板。
如下图所示，设置temperature的单位为c。

7 设置模型

这里激活能量方程及湍流模型。

双击模型树节点Models > Energy，在弹出的Energy对话框中，勾选Energy Equation前方的复选框，激活能量方程，如下图所示。点击OK按钮确认操作。
双击模型树节点Models > Viscous(Laminar)，在弹出的对话框中选择k-epsilon(2 eqn)，Realizable，其他参数保持默认，点击OK按钮确认操作。

8 定义新材料

FLUENT默认采用的材料为air，案例中流体介质为液态水。

右键点击模型树节点Material > Fluid，选择弹出菜单New，如下图所示。
在弹出的对话框中，选择Fluent Database…，弹出材料库对话框，在材料库中选择材料water-liquid(h2o)，点击Copy按钮，并点击Close按钮关闭对话框，如下图所示。

点击Close按钮关闭材料新建对话框。

9 计算域设置

鼠标双击模型树节点Cell zone Conditions > fluid(fluid)，弹出参数设置面板，在参数面板中设置Material Name为上一步创建的材料water-liquid，如下图所示。
点击OK按钮关闭对话框。

10 边界条件设置

在模型树节点Boundary Conditions中可以设置计算模型的边界条件。如图所示。

界面元素与Cell Zone Conditions设置面板类似。
设置边界条件：

inlet-y边界设置
- 在Zone列表框中选择边界inlet-y，选择Type下拉框选项Velocity-inlet，鼠标点击面板按钮Edit…
- 弹出参数设置对话框，如图所示。在Momentum标签页下，设置Velocity Manitude参数值为0.3；选择Specification Method为Intensity and Hydraulic Diameter，设置Tubulent Intensity为5，设置Hydraulic Diameter为0.15。
- 切换至Thermal面板，设置Temperature为15，如图所示。
inlet-z边界设置
- 与inlet-y设置相类似，所不同的是设置Velocity Manitude参数值为0.1；设置Hydraulic Diameter为0.1；设置Temperature为25
outlet边界设置
- 选择Type下拉框选项pressure-outlet，点击Edit…按钮
- 在弹出的对话框Momentum标签页下，设置Gauge Pressure为0，设置Specification Method为Intensity and Hydraulic Diameter，设置Backflow Turbulent Intensity为5，设置Backflow Hydraulic Diameter为0.15
- 切换至Thermal面板，设置Temperature为20。
  
  需要注意的是：在计算的过程中，有可能会出现介质从出口边界进入流体域的情况（回流），这种情况有可能是真是的流动特征（在计算收敛时仍然存在回流），或者仅仅只是收敛过程中的短暂状态（随计算进行回流消失）。不管是何种情况，FLUENT需要知道边界上的真实来流信息。若在出口位置没有回流，则这些回流参数值在计算过程中不会被使用。在选择计算边界位置时，通常将出口位置选择在没有回流的地方。

12 设置离散格式

模型树节点Solution Methods主要设置模型的离散算法。如图所示。

选择Pressure-Velocity Coupling scheme为Coupled
激活选项Pseudo Transient
激活选项Warped-Face Gradient Correction

离散格式定义了梯度及变量插值的计算方法。默认选项适用于大多数的计算问题。

13 Monitors

利用模型树节点Monitors可以在计算过程中监测一些物理量的变化。本例设置监测两个入口压力值及出口温度标准差。Monitors设置面板如下图所示。

设置面板中的一些参数：

Residuals,Statistic and Force Monitors：监测残差、统计值以及各种力
Surface Monitors：监测面上的各种参数值
Volume Monitors：监测体上的各种参数值
Covergence Monitors：收敛监测，通过前面的监测参数来判断计算是否收敛

本例中监测三个面参数，利用Surface Monitors下方的Create按钮进行创建。鼠标选择此按钮后，如下图所示。

定义三个Monitors，步骤包括：

点击Surface Monitors下的Create…按钮
- Name：设置为p-inlet-y
- Plot Windws：设置为2
- Report Type：设置为Area-Weighted Average
- Field Variable：设置为Pressure及Static Pressure
- Surface：选择inlet-y
点击Surface Monitors下的Create…按钮
- Name：设置为p-inlet-z
- Plot Windws：设置为3
- Report Type：设置为Area-Weighted Average
- Field Variable：设置为Pressure及Static Pressure
- Surface：选择inlet-z
点击Surface Monitors下的Create…按钮
- Name：设置为t-dev-outlet
- Plot Windws：设置为4
- Report Type：设置为Standard Deviation
- Field Variable：设置为Temperature及Static Temperature
- Surface：选择outlet

14 Initialization

利用模型树节点Solution Initialization可对计算域进行初始化。FLUENT提供了两种初始化方法：

Hybird Initialization：通过各种不同的插值方式获得计算域中的初始值。如利用求解拉普拉斯方程的方式获取初始速度场与压力场
Standard Initialization：直接定义各未知物理量的初始值

本案例采用Hybird Initialization方式进行初始化，如上图所示，选择Initialize按钮进行初始化。此时在图形窗口中可能会出现如下图所示的警告信息，不过这仅仅只是提示拉普拉斯方程没有收敛，大可以忽略。

对于稳态计算，初始值不会影响最终计算结果，但是会影响收敛过程，严重偏离实际的初始值可能会导致计算收敛缓慢甚至发散。对于瞬态计算，初始值会影响到后续的计算结果。

15 Run Calculation

选择模型树节点Run Calculation，如图所示。

设置Number of Iterations为350，点击按钮Calculate进行迭代计算。

16 Results

计算后处理。

16.1 计算监测图形

残差曲线
计算监测得到的残差曲线如下图所示。

图中残差曲线显示计算在迭代120步左右达到收敛，表现为残差曲线降低至设置的残差标准以下，默认残差标准为 $10^{- 3}$
入口压力监测图
两个入口压力监测图如下图所示。

（图1）

（图2）
从这两幅压力监测图看出计算结果基本达到稳定，压力值随迭代变化很小。
出口温度标准差变化图
监测得到的出口温度标准差曲线图如下图所示。

温度标准差反映了温度混合的均匀程度，该值越大表示温度分布越不均匀。图中最终的温度标准差约为0.2。

16.2 Graphics

模型树节点Graphics下包含了Mesh、Contours、Vectors、Pathlines以及Particle Tracks，如图所示。在Graphics参数设置面板中还包含了Animations操作以及一些图形显示参数设置按钮，如灯光、视图等。

Mesh：显示网格图
Contours：显示云图
Vectors：显示矢量图
Pathlines：显示流线图
Particle Tracks：显示粒子追踪图

本案例主要利用Contours及Vectors显示云图及矢量图。

16.2.1 壁面温度分布

查看壁面温度云图显示。鼠标双击Graphics列表框中的Contours列表项，在弹出的对话框中进行如下图所示设置：

勾选激活Filled选项
在Contours of下拉框中选择Temperature及Static Temperature
在Surfaces列表项中选择wall-fluid
点击按钮Display

壁面上的温度云图显示如下图所示。

16.2.2 创建截面

创建截面后可以显示截面上的物理量分布。这里创建x截面。

利用Ribbon界面中的Postprocessing标签页
选择Create按钮下的Iso-Surface…功能菜单
如下图所示。

在弹出的对话框中进行如图所示设置：
选择Surface of Constant为Mesh及X-Coordinate
设置Iso-Value为0
设置New Surface Name为x-0
点击Create按钮创建截面

16.2.3 显示截面物理量

回到Contours设置面板，

设置Contours of为Velocity及Velocity Magnitude
选择Surface为x-0
点击按钮Display

显示速度云图如下图所示。

设置Contours of为Temperature及Static Temperature，点击Display按钮。

显示温度云图如下图所示。