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】CFDFLUENT冷热水混合器标准k-ε湍流模型NumericalSimulationofInnerFlowinMixtureBasedonFLUENTWENYuanyuan(AutomotiveDepartment,WuhanUniversityofTechnology,WuhanHubei430070)Abstract：ThispaperintroducesthemainfeaturesoftheFLUENTsoftwareanditsapplicationinthehotandcoolwatermixture.The3-Dhotandcoolwatermixturewassimulatednumericallybythestandardk-εturbulentmodelinFLUENTandanalyzedthechangesininternalflowfield.Thesimulationreflectsthecomplexflowinhotandcoolwatermixture,atthesametime,whichprovidesatheoreticalbasis.Keywords：CFD；FLUENT；hotandcoolwatermixture；standardk-ε；turbulentmodel0引言工程热水恒温混合器，是为适应中央热水工程向大型化、自动化和人性化发展的技术要求而研发的，是为太阳能热水工程和各种生活热水供水系统专门配套的一种全自动洗浴水恒温控制设备。广泛适用于宾馆、饭店、学校、医院、厂矿、机关及洗浴中心、游泳池等大中小型生活热水系统。由于混合器的广泛应用，混合器内的各个流场也受到内流研究者的广泛关注。1FLUENT软件简介FLUENT是美国FLUENT公司开发的集流场、燃烧和热、质量传输以及化学反应于一体的商业CFD软件,也是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。[1]自其上市以来,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。独特的优点使FLUENT在水利船舶、材料加工、燃料电池、航空航天、旋转机械、噪声污染、核能与动力等方面均有广泛应用。[2]FLUENT软件的最大特点是具有专门几何模型制作软件Gambit模块,并可以与CAD连接使用,同时备有很多附加条件和附加方程添加接口，使用了目前较先进的离散技术和计算精度控制技术,如多层网格法、快速收敛准则以及光滑残差法等,数学模型的离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软件包主要具有常用的6种湍流数学模型、辐射数学模型、化学物质反应和传递流动模型、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：⑴FLUENT6.0—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；⑵GAMBIT—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；⑶FIDAP—基于有限元方法的通用CFD求解器；⑷prePDF—用于模拟PDF燃烧过程；⑸TGrid—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。2控制方程和数值模拟2.1控制方程与标准k-ε湍流模型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0yxzvvvxyz（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2222221yxxzvvdvvpxxxyzdt2222221yyxzvdvvvpyyxyzdt2222221yxzzvvvdvpzzxyzdt（2）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iiktxiKbmkjkjkGGYSxx（3）iix2132tekebeejjCGCGCSxxkk（4）式中：KG为由于平均速度梯度引起的湍动能，bG为由于浮力引起的湍动能，mY为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。湍流黏性系数:2tkC（5）在FLUENT中,作为默认值常数,1C=1.44,C=1.92，C=0.09,湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为k=1.0，=1.3。[2]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，直径为4mm模型的划分思路一样。[3]图1网格划分示意图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件。[4]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2r=1时残差图图3r=2时残差图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4r=1图5r=2图6r=1图7r=23.2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8r=1速度矢量图图9r=2速度矢量图图10ar=1速度矢量图图10br=1速度矢量局部放大图图10br=1速度矢量局部放大图图11br=2速度矢量局部放大图3.3中心线上的压强分布图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12r=1时压强分布图13r=2时压强分布4结论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，其结果具有很强的指导意义。[6]参考文献[1]ANSYSInc.FLUENT612UDFmanual[M]South2pointe,USA:FluentInc.,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