Fluent inс. Документация к программному обеспечению. FLUENT, GAMBIT. Краткое описание программного комплекса CFD с уроками (на русском языке)
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 4.2. Построенная конечно-разностная сетка для осесимметричного течения и
теплообмена в трубе с внезапным расширением
Сетка готова. Чтобы ее экспортировать в формат файлов сеток FLUENT, необходимо в
разделе меню File выбрать Export → Mesh, ввести имя файла с расширением msh, нажать
кнопку Export 2-D(X-Y) Mesh (сетка для расчета двумерного течения) и Accept. Кроме
того, полезно сохранить заданные настройки сетки в формате GAMBIT.
4.4. Выбор метода решения и настройка расчетного
модуля FLUENT
Производим запуск пакета FLUENT, выбираем версию 2ddp (двумерный случай, расчет с
двойной точностью). Выбираем пункт меню File → Read → Case и читаем созданный в
GAMBIT файл с расширением msh.
После успешного чтения конечно-разностной сетки с указанием типа границ и рабочей
среды процесса выполняется настройка метода решения, выбор модели и задание
граничных условий. Это делается в разделе меню Define.
Define → Models → Solver: выбираем решатель (solver), основанный на определении
давления, неявный метод, осесимметричный стационарный процесс и т.д. (рис. 4.3a)
Define → Models → Energy: указываем, что будем решать уравнение энергии для
неизотермического течения.
Define → Models → Viscous: выбираем тип течения (ламинарное/турбулентное), тип
модели турбулентности, учет вязкой диссипации и проскальзывания среды при низком
давлении. В качестве модели турбулентности выбираем стандартную k-ε модель, которая
приведена выше в математической постановке, и метод пристеночных функций Лаундера
- Сполдинга (рис. 4.3б).
Рис. 4.3a. Выбор метода решения
Рис. 4.3б. Выбор модели турбулентности
4.5.1. Некоторые результаты расчета. Часть 1
На рис.4.8 и 4.9 представлены графики распределения коэффициента трения на стенках
канала и локального числа Нуссельта за скачком сечения.
Рис. 4.8. Распределение коэффициента трения на стенках трубы
Рис. 4.9. Распределение локального числа Нуссельта за внезапным расширением трубы
4.5.2. Некоторые результаты расчета. Часть 2
Из рисунков видно, что перед расширением поток практически стабилизируется, причем
полученное значение коэффициента трения неплохо согласуется с обобщающей
экспериментальные данные зависимостью Блазиуса c
f
=0,3164/4(Re
d1
)
0,25
=6,717×10
-3
при
Re
d1
=19233. Далее за участком внезапного расширения образуется рециркуляционное
течение с отрывом и присоединением потока. Из экспериментальных исследований
положение точки присоединения турбулизованного потока (c
f
) определяется как 8-10
высот уступа R
2
-R
1
. В этой точке локальное число Нуссельта имеет максимальное
значение. В нашем случае координаты точки присоединения по этим двум рисункам
составляют 1,118 и 1,107 м, т.е. соответственно 7,9 и 7,1 высот уступа. Рисунок 4.10
демонстрирует картину течения вблизи участка внезапного расширения трубы.
Контурные линии - линии тока.
Рис. 4.10. Линии тока в трубе с внезапным расширением
4.6. Задания
1. Построить конечно-разностную сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT
ламинарного неизотермического течения воздуха в плоском канале при Re
H
=10 и Pr=5.
Построить графики изменения осевой скорости, коэффициента трения и безразмерного
коэффициента теплообмена. Оценить длину начального гидродинамического и
термического участков.
2. Построить конечно-разностную сетку и провести расчет ламинарного
неизотермического течения в трубе при Re
D
=50 и Pr=0,71. Построить графики изменения
осевой скорости, коэффициента трения и безразмерного коэффициента теплообмена.
Оценить длину начального гидродинамического и термического участков.
3. Построить конечно-разностную сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT
ламинарного неизотермического течения в плоском канале с одной теплоизолированной
стенкой при Re
H
=100 и Pr=0,71. Построить графики изменения осевой скорости,
коэффициента трения и безразмерного коэффициента теплообмена. Оценить длину
начального гидродинамического и термического участков. Рассмотреть случай
зависимости теплофизических свойств теплоносителя от температуры. Перепад
температур (входящего потока и стенки) принять равным 50 градусам.
4. Рассматривается ламинарное течение вязкой несжимаемой жидкости в Z-образном
канале при Re
H
=10 и Pr=0,71. Расстояние между параллельными стенками канала равно
0,015 м, скорость потока на входе - 0,01 м/с, температура - 300 К. Длина входного
предвключенного участка канала равна 0,03 м, выходного 0,05 м. Верхняя стенка
теплоизолирована, нижняя имеет температуру 330 К. Построить конечно-разностную
сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT с учетом и без учета влияния
зависимости теплофизических свойств от температуры. Дать объяснение полученным
результатам.
5. Построить конечно-разностную сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT
турбулентного неизотермического течения в трубе круглого поперечного сечения при
Re
D
=50000 и Pr=0,71. Поток, поступающий в трубу, имеет температуру на 10 градусов
ниже, чем температура стенок. Построить графики изменения осевой скорости,
коэффициента трения и безразмерного коэффициента теплообмена. Оценить длину
начального гидродинамического и термического участков.
6. Построить конечно-разностную сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT
турбулентного неизотермического течения в плоском канале со вставкой (h/H=0,5) при
Re
H
=10000 и Pr=0,71. Обогрев канала ведется от входного сечения. Рассмотреть случаи,
когда вставка располагалась на расстоянии 10H и 50H от входного сечения трубы.
Построить графики изменения коэффициента трения и локального числа Нуссельта по
длине трубы. Оценить длину участка рециркуляционного течения, дать объяснение
полученным особенностям течения.
7. Построить конечно-разностную сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT
турбулентного неизотермического течения в трубе круглого поперечного сечения с
кольцевой квадратной выемкой при Re
H
=10000 и Pr=5. Глубина выемки составляет
половину радиуса трубы. Поток, поступающий в трубу, имеет температуру на 15 градусов
выше, чем температура стенок. Рассмотреть случаи, когда вставка располагалась на
расстоянии 10H и 50H от входного сечения трубы. Построить графики изменения
коэффициента трения и локального числа Нуссельта по длине трубы. Дать подробное
описание полученной картины течения и теплообмена в выемке.
8. Построить конечно-разностную сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT
турбулентного неизотермического течения в трубе круглого поперечного сечения с
внезапным сужением (d/D=0,5) при Re
H
=10000 и Pr=0,71. Поток, поступающий в трубу,
имеет температуру на 10 градусов выше, чем температура стенок. Сечение сужения
потока располагается на расстоянии 50 диаметров от входа. Построить графики изменения
осевой скорости, коэффициента трения и локального числа Нуссельта по длине трубы.
Дать объяснение полученным результатам. Локализовать зоны рециркуляционного
течения, определить положение точек присоединения потока.
9. Вода при температуре 337 К течет по каналу прямоугольного сечения 10×15 см со
средней скоростью 8 м/с. Температура горизонтальных стенок отличается от температуры
на входе на +20 градусов, а вертикальных - на -20 градусов. Длина канала 6 м. Построить
конечно-разностную сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT турбулентного
неизотермического течения. Исследовать развитие пограничных слоев в канале, построить
графики изменения локальных коэффициентов трения и числа Нуссельта, вычисленных на
ограничивающих поток поверхностях, по длине канала.
10. Водород при атмосферном давлении и числе Рейнольдса 17000 движется по гладкой
трубе диаметром 1,5 см и длиной 1 м. Температура водорода на входе 293 К, а
температура стенок трубы поддерживается равной 313 К. Построить конечно-разностную
сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT турбулентного неизотермического
течения. Рассчитать тепловой поток от стенок и определить температуру водорода на
выходе из трубы.
11. Жидкий фреон-12 поступает в гладкую трубу диаметром 1,3 см. Скорость движения
фреона 2,9 м/с, его температура на входе в трубу 263 К. Температура стенки трубы 283 К.
Построить конечно-разностную сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT
турбулентного неизотермического течения. Рассчитать тепловой поток к фреону в трубе
длиной 1 м.
12. Труба в химико-технологической установке используется для транспортировки
скипидара с массовым расходом 23 кг/сек. Труба имеет длину 10 м и внутренний диаметр
13 см. Температура скипидара на входе в трубу 373 К, температура стенки трубы 303 К.
Построить конечно-разностную сетку и провести расчет на основе пакета FLUENT
турбулентного неизотермического течения. Учитывать зависимость теплофизических
свойств скипидара от температуры. Рассчитать тепловой поток от скипидара и
температуру на выходе их трубы, расположенной горизонтально или вертикально.
13. Построить конечно-разностную сетку и провести расчет изотермического ламинарного
течения в плоском канале шириной 0,01 м со вставкой высотой 0,005 м и шириной 0,005
м. Число Рейнольдса, построенное по средней скорости до преграды и высоте канала,
имеет значение 142. Произвести расчет и построить линии тока и профили осевой
скорости в нескольких сечениях за преградой в области рециркуляционного течения.
Описать полученную картину течения.
5. Течение в пограничных слоях. Введение
Продольно-обтекаемая ламинарным или турбулентным потоком пластина является одним
из наиболее широко распространенных элементов поверхностей современных
теплообменных аппаратов. В то же время актуальным остается исследование
аэродинамических процессов вокруг препятствий, расположенных на обтекаемой
поверхности.
В данной лабораторной работе рассматривается задача о турбулентном течении в
пограничном слое над плоской пластиной, с расположенным на ней препятствием в виде
куба. Производится построение пространственной неструктурированной конечно-
разностной сетки с помощью построителя сеток GAMBIT. Численное решение задачи
находится с помощью пакета FLUENT.
5.1. Физическая постановка задачи
Рассматривается стационарное трехмерное турбулентное изотермическое течение вязкой
несжимаемой жидкости над пластиной, на которой расположен куб с размером ребра 0,04
м. Пластина и куб представляют собой поверхности с высотой шероховатости 0,000329 м.
Область исследования в двух проекциях представлена на рис.5.1. Размеры области
следующие: длина по направлению движения основного потока 0,72 м, ширина в
поперечном направлении 0,48 м, высота 0,12 м. Куб расположен на расстоянии 0,3 м от
переднего края пластины.
Рис. 5.1. Область исследования неизотермического течения на плоской пластине с
препятствием. Вид сверху и сбоку
Набегающий поток имеет скорость 8,8 м/с, параметры турбулентности k=0,3 м
2
/с
2
и ε=10
м
2
/с
3
. Теплофизические свойства жидкости постоянные: плотность ρ имеет значение 1,225
кг/м
3
, а кинематическая вязкость ν=0,0000146 м
2
/с. На входе при x
1
=0 распределение
параметров потока равномерное.
5.2.1. Математическая постановка задачи. Часть 1
Система уравнений Рейнольдса и k–ε модели турбулентности, моделирующая
турбулентный режим движения вязкой несжимаемой жидкости на пластине с
препятствием, запишется следующим образом:
уравнение неразрывности
(5.1)
уравнения движения
(5.2)
уравнения k–ε модели турбулентности
(5.3)
(5.4)
(5.5)
5.2.2. Математическая постановка задачи. Часть 2
Здесь u
i
– компоненты вектора скорости; ν, ν
t
, ν
eff
– молекулярная, турбулентная
кинематические вязкости и их сумма, соответственно; p – давление; k – кинетическая
энергия турбулентных пульсаций; G, ε – генерация и диссипация энергии турбулентности;
C
μ
=0,09; C
1
=1.44; C
2
=1,92.
Граничные условия:
на входе x
1
=0: u
1
=8,8 м/с, u
2
=u
3
=0, k=0,3 м
2
/с
2
, ε=10 м
2
/с
3
;
на боковых гранях при x
2
=±0,24
м: u
2
=0,
на верхней границе при x
3
=0,12
м: u
3
=0,
на выходе при x
1
=0,12
м:
на пластине и на гранях куба: u
1
=u
2
=u
3
=0, k=0, ε=ε
w
(x);
ε
w
(x) – некоторая функция, значения которой получаются в процессе расчетов в
результате применения метода пристеночных функций Лаундера – Сполдинга. Заметим,
что в силу симметрии течения относительно плоскости x
2
=0 можно рассматривать лишь
половину указанной на рис. 5.1 области. В этом случае необходимо использовать условия
симметрии при x
2
=0:
u
2
=0,
5.3.1. Построение расчетной сетки. Часть 1
После запуска построителя сеток GAMBIT выполняем задание параллелепипеда
основной области (рис. 5.1) и обтекаемого куба. Для этого нажимаем кнопку в разделе
Operation и кнопку – в разделе Geometry и – в разделе Volume. Далее в пункте
Create Real Brick необходимо задать ширину (Width), глубину (Depth) и высоту (Height)
параллелепипеда основной области. Вводим значения соответственно 0,72, 0,24 (в силу
симметрии течения рассматриваем половину области) и 0,12. Выбираем начало системы
координат в соответствии с рис. 5.1 (+X +Y +Z) и нажимаем кнопку Apply. Зеленым
цветом рисуется искомая фигура. Далее вводим половинку куба. Аналогичным образом
задаем ее размеры (Width=0,04, Depth=0,02, Height=0,04) и положение в выбранной
системе координат (+X +Y +Z). Чтобы поместить куб на соответствующее место (рис.
5.1), необходимо его перенести. Для этого выбираем в разделе Volume , переходим в
пункт Move/Copy Volumes, выделяем объем для переноса (в нашем случае это volume.2)
и задаем параметры сдвига по каждой координате: 0,3, 0 и 0. Нажав кнопку Apply,
получаем желаемый перенос.
Теперь осталось путем вычитания из большого объема (volume.1) меньшего (volume.2),
получить объем, в котором будет рассчитываться движение турбулентного потока. Для
этого в разделе Volume выбираем , правой кнопкой мыши меняем объединение на
вычитание и указываем объемы, участвующие в операции, – сначала volume.1, затем
volume.2. Нажимаем кнопку Apply и получаем объем volume.1 = volume.1 – volume.2.
Далее займемся построением сетки. Сетку будем строить таким образом, чтобы она
сгущалась вблизи обтекаемого куба. Это позволит сделать функция Gambit, задающая
сгущение узлов. В разделе Operation нажимаем кнопку Tools Command , а в разделе
Tools – кнопку Sizing Function и – в разделе Size Function. В пункте Create Size
Function задаем следующие параметры (рис. 5.2), причем в качестве поверхностей, с
которых начинается увеличение размеров ячеек сетки, выбираем поверхности куба (face.9,
face.10, face.11, face.12), а в качестве поверхностей, в направлении которых увеличивается
размер ячеек, указываем входное сечение (face.3), выходное сечение (face.4), боковую
(face.5) и верхнюю (face.6) границы расчетной области. После ввода значений нажимаем
кнопку Apply и получаем функцию сгущения сетки, которая поможет построить
неравномерную сетку в расчетной области.
Рис. 5.2. Выбор параметров функции сгущения сеточных узлов
5.3.2. Построение расчетной сетки. Часть 2
На следующем этапе переходим к построению сетки. Нажимаем кнопку раздела
Operation и затем кнопку в разделе Mesh. В пункте Mesh Volumes указываем объем, в
котором будет строиться сетка (volume.1), тип сеточных объемов (Tet/Hybrid) и размер
ячеек сетки 0,004. Нажимаем кнопку Apply и начинается построение
неструктурированной сетки (рис. 5.3).