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FLUENT6.1 全攻略 1 第二章 FLUENT 的计算步骤 本章通过一个稍微复杂一些的算例再次演示 FLUENT 的求解过程。这个算例的内容是 计算一个二维弯管中的湍流流动和热传导过程,在这个算例中可以看到 FLUENT 计算的标 准流程,其中包括: (1)如何读入网格文件。 (2)如何使用混合的单位制定义几何模型和物质属性。 (3)如何设定边界条件和和物质属性。 (4)如何初始化计算并用残差曲线监视计算进程。 (5)如何用分离求解器计算流场。 (6)如何用 FLUENT 的图形显示功能检查流场。 (7)如何用二阶精度离散格式获得更高精度的流场。 (8)以温度梯度为基准调整网格以提高对温度场的计算精度。 2.1 问题概述 图 2-1 弯管流动图示 如图 2-1 所示,温度为 26的冷流体流过弯管,温度为 40的热流体从转弯处流入, FLUENT6.1 全攻略 2 并与主流中的冷流体混合。管道的尺寸如图 2-1 所示,单位为英寸,而边界条件和流体材 料性质则采用国际单位制。入口处的雷诺数为 2.03 x 10 5,因此必须使用湍流模型。 2.2 处理网格 网格处理包括网格的输入、检查、光顺、比例转换和显示等操作,下面分别进行介绍。 2.2.1 读入网格文件 首先启动 FLUENT 的 2D 版,然后读入网格文件: File - Read - Case. 这个算例的网格文件可以在 FLUENT6.1 为用户提供的文档光盘中找到,路径是: cdrom:fluent6.1helptutfileselbowelbow.msh 2.2.2 检查网格 执行下列菜单操作,进行网格检查: Grid - Check 此时控制台窗口中会显示与网格有关的信息,包括网格空间范围、体积信息、表面积 信息、节点信息等等。网格中存在的任何错误都会出现在这个信息报告中,其中最需要检 查的是网格单元的体积不能为负值,否则计算将无法继续下去。 图 2-2 Smooth/Swap Grid(光顺/转换网格)面板 FLUENT6.1 全攻略 3 2.2.3 光顺并转换网格 执行下列菜单操作,打开 Smooth/Swap(网格光顺和转换)面板: Grid - Smooth/Swap. 光顺网格可以提高网格质量, 提高计算精度。 在启动光顺/转换网格面板后, 点击 Smooth (光顺)按钮,然后再点击 Swap(转换)按钮,控制台上将报告被转换网格的数量。反复 点击 Smooth(光顺)按钮和 Swap(转换)按钮,直到报告中被转换(Swap)的网格数量 降低为零,则网格光顺处理过程结束。 2.2.4 按比例调整网格 执行下列菜单操作,打开 Scale Grid(按比例调整网格)面板: Grid - Scale. 图 2-3 Scale Grid(按比例转换网格)面板 在 Units Conversion(单位转换)下面的 Grid Was Created In 列表中选择 in(英寸)作 为网格创建数据单位。 点击 Scale(比例)按钮进行比例计算。注意在计算域范围(Domain Extents)中,网 格的单位显示仍然是国际单位制中的 m(米) 。 点击 Change Length Units(改变长度单位)按钮,可以将英寸变为长度单位,同时可 以从面板下方计算域范围中看到 x、y 坐标的最大值改变为 64 英寸。 FLUENT6.1 全攻略 4 图 2-4 Grid Display(网格显示)面板 图 2-5 网格显示 FLUENT6.1 全攻略 5 2.2.5 显示网格 执行下列菜单操作,打开 Grid Display(网格显示)面板,如图 2-4 所示: Display - Grid. 选择所有表面,然后点击 Display(显示)按钮,FLUENT 随即打开一个新的显示窗口 显示网格,如图 2-5 所示。 用右键点击图形显示窗口中的一个边界,则与这个边界相关的信息就会显示在控制台 窗口中。在网格区域很多时,用这种方法可以比较方便地分辨各个区域。 2.3 计算模型 图 2-6 Solver(求解器)面板 FLUENT6.1 全攻略 6 2.3.1 设置求解器参数 执行下列菜单操作,打开 Solver(求解器)面板: Define - Models-Solver. 求解器的缺省设置如图 2-6 所示,本算例中可以保持这些缺省参数设置。 图 2-7 粘性模型面板 2.3.2 选择湍流模型 执行下列菜单操作,打开 Vicous(粘性)面板,如图 2-7 所示: FLUENT6.1 全攻略 7 Define-Models-Viscous. 在 Model 列表中选择 k-epsilon (2 eqn),即k两方程模型。点击 OK 按钮接受系统 对k模型的缺省设置,包括标准模型设置、壁面函数设置和湍流模型常数的设置等等。 2.3.3 启用能量方程计算 执行下列菜单操作,打开 Energy(能量)面板,并激活能量计算,如图 2-8 所示: Define-Models-Energy. 图 2-8 能量方程面板 2.4 定义材料性质 创建一种新的物质,命名为 water(水) ,并设置相关参数。 首先执行下列菜单操作,打开 Materials(材料)面板,如图 2-9 所示: Define - Materials. 在 Name (名称) 中键入材料名称 water (水) , 然后设定水的各种物理性质, 其中 Density (密度)为 1000kg/m3, Cp(定压比热)为 4216J/kg-K,thermal conductivity(导热系数) 为 0.677W/m-K,viscosity(粘度)为 8x10-4kg/m-s。最后点击 Change/Create(修改或创建) 按钮完成创建过程。在 FLUENT 提示是否用新的材料数据覆盖 air 的数据时,点击 NO 按 钮予以否认。 实际上 FLUENT 的材料性质数据库中已经存在水的数据,因此也可以简单地将相关数 据直接从 Database(数据库)中调入,如果个别数据与前面的数据有出入,可以直接在面 板上进行修改。 设置完毕后,关闭 Materials(材料)面板。 FLUENT6.1 全攻略 8 图 2-9 Materials(材料)面板 2.5 定义边界条件 执行下列菜单命令,打开边界条件面板,如图 2-10 所示: Define - Boundary Conditions. 2.5.1 设定流体条件 在 Zone(区域)列表中选择 fluid-9,Type(类型)列表中相应地反白显示为 fluid(流 体) 。 FLUENT6.1 全攻略 9 图 2-10 边界条件面板 图 2-11 Fluid(流体)面板 FLUENT6.1 全攻略 10 点击 Set.(设置)按钮打开 Fluid(流体)面板,如图 2-11 所示。在 Material Name(材 料名称)列表中选择 water(水) ,点击 OK 按钮结束设置过程。 2.5.2 设置速度入口边界条件。 (1)设置 velocity-inlet-5 上的边界条件。 在 Zone(区域)列表中选择 velocity-inlet-5,然后点击 Set.(设置)按钮,进入速度 入口设置面板,如图 2-12 所示。 图 2-12 Velocity Inlet(速度入口)面板 在 Velocity Specification Method(速度定义方法)中,选择 Components(分量形式) 定义速度,然后将 X-Velocity(X 向速度分量)设为 0.2m/s。将 Temperature(温度)设为 293K。在 Turbulence Specification Method(湍流定义方法)中,选择 Intensity and Hydraulic Diameter(强度和水力直径)定义湍流,然后将 Turbulence Intensity(湍流强度)设为 5, 将 Hydraulic Diameter(水力直径)设为 32in。点击 OK 按钮结束对 velocity-inlet-5 的设置。 (2)设置 velocity-inlet-6 上的边界条件,方法同上,相关参数如下:Y-Velocity(Y 向 速度分量)为 1.0m/s,temperature(温度)为 313K,Turbulence Intensity(湍流强度)为 5 ,Hydraulic Diameter(水力直径)为 8in(英寸) 。 FLUENT6.1 全攻略 11 2.5.3 设置压强出口边界条件 pressure-outlet-7 上的压强出口边界条件的相关参数为:表压 0 pascal,回流总温为 300 K, Backflow Direction Specification Method (回流方向定义方法) 为 Normal to Boundary (垂 直于边界) ,Turbulence Specification Method(湍流定义方法)为 Intensity and Hydraulic Diameter(湍流强度与水力直径) ,Backflow Turbulence Intensity(回流湍流强度)为 5, Backflow Hydraulic Diameter(回流水力直径)为 32in。 图 2-13 Pressure Outlet(压强出口)面板 2.5.4 壁面条件设置 壁面 wall-4 的边界条件保持缺省设置, 其中 Heat Flux (热流通量) 的值为 0。 壁面 wall-8 也保持缺省设置。 2.6 求解过程 参数设置完毕并检查无误后,既可以开始流场计算。流场计算的流程如下: FLUENT6.1 全攻略 12 2.6.1 初始化 执行下列菜单操作打开 Solution Intialization(求解初始化)面板,如图 2-14 所示: Solve-Initialize-Initialize. 图 2-14 Solution Initialization(初始化解)面板 在 Compute From(计算起始于)列表中选择 velocity-inlet-5,然后在 Y Velocity(Y 向 速度分量)中加入 0.2m/sec,点击 Init(初始化)按钮开始初始化,最后点击 Close(关闭) 按钮关闭初始化面板。 2.6.2 设置残差监视器 执行下列菜单操作,打开 Residual Monitors(残差监视器)面板: Solve-Monitors-Residual. 在 Options(选项)下选择 Plot(绘图) ,点击 OK 按钮关闭面板。 2.6.3 保存算例文件 执行下列菜单操作保存算例文件: FLUENT6.1 全攻略 13 File-Write-Case. 不用改动 Write Binary Files(写二进制文件)的缺省设置,这样算例文件可以用二进 制格式记录在硬盘上。 图 2-15 Residual Monitors(残差监视器)面板 2.6.4 打开迭代面板 执行下列菜单操作,打开 Iterate(迭代)面板: Solve - Iterate. 将 Number of Iterations(迭代次数)设为 100,点击 Iterate(迭代)按钮开始计算。在 开始计算时残差监视器将同时被打开。 2.6.5 监视收敛过程 图 2-16 是计算进行到第 60 步时残差曲线的走势。因为没有普适的收敛判断标准,所 FLUENT6.1 全攻略 14 以在观察残差曲线时,不要仅仅监视残差曲线下降的数量级,最好同时能够监视相关流场 变量的变化情况。 图 2-16 残差监视器 简单地说,可以用三种方法判断计算是否已经收敛: (1)观察残差曲线。 可以在残差监视器面板中设置 Convergence Criterion(收敛判据) ,比如设为 10-3,则 残差
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