拉瓦尔喷管FLUENT模拟

一收缩-扩张喷管实例1.1问题描述本节内容主要依托收缩-扩张喷管内的流动计算展开。喷管外形如图1-1所示，A为沿轴圆形截面面积，喷管的外形尺寸满足如下条件（单位：m）：21.0xA5.05.0x计算求解时可以将模型琪简化为二维轴对称问题，边界条件为：入口压力Pm=101325Pa,入口总温Ti0=300K，出口静压P0=3738.9Pa。图1-1喷管几何示意图1.2创建几何模型（1）设定工作目录File→ChangeWorkingDir，选择文件存储路径。（2）创建Point，如图1-2所示。Step1通过输入坐标的方法创建P_1、P_2。选择Geometry标签栏中的，单击，选择Create1point（创建一个点），输入P_1的坐标，单击Apply按钮确定，如图1-3所示。P_2创建方法与之相似，坐标为（0.5,0,0）。Step2创建点集3。因为横截面积为21.0xA，因此沿X轴方向半径的函数为：5.02]/)1.0[()(xxR。单击，在ExplicitLocations下拉菜单中选择CreateMultiplepoints，按照如图1-4所示输入数据，单击Apply按钮确定。单击Apply按钮确定。图1-3创建P_1图1-4创建点集3（3）创建Curve，如图1-5所示。图1-5创建Curve结果图Step1选择Geometry标签栏，单击创建Curve。如图1-6所示，单击，再单击，依次选择点集3中的各点连成曲线，创建C_4。Step2采用Step1的方法创建其余三条Curve。（4）定义Part。ICEM中定义Part的名称将会是导出网格后边界的名称，可以简化在求解器中定义边界条件的过程。同时在非结构化网格生成过程中，合理定义Part还便于定义网格尺寸。Part中的元素可以是Point、Curve、Surface，也可以是Block或网格。但任意一个元素，如一条Curve，只能存在于一个Part，不能同时存在于两个不同的Part。对于二维问题，计算边界即为Curve；对于三维问题，计算边界为Surface。在该计算实例中，边界条件主要由以下几个构成；①入口（IN）；②出口（OUT）；③壁面（WALL）；④对称轴（AXIS）。在定义Part时也应根据这四个主要的边界进行定义。图1-6创建Curve结果图Step1定义入口的Part。右击模型树Model→Parts，选择CreateParts，如图1-7所示。进入到创建Part的窗口，如图1-8所示。输入想要定义的Part名：IN，单击选择几何元素，单击选择C_1，中键确定，此时C_1颜色将自动改变。图1-7进入创建Part的操作界面图1-8创建入口Part的操作Step2采用Step1中的方法，依次定义其余的Part。定义对称轴Part名为AXIS，选择C_2。定义出口Part名为OUT，C_3。定义壁面Part名为WALL，C_4。定义POINT的Part名为POINT，选择所有的Point，如图1-9。图1-9仅允许选择Point的操作Step3观察创建Part是否正确。创建Part完成后，如图1-10所示模型树将会有所变化，Part目录下新增了创建的Part。取消IN的显示，查看几何模型上C_1是否会消失，若消失，则说明创建Part成功，可通过相同的方法检验其余Part是否创建成功。若某个Part创建时漏选了线，如WALL创建时漏选了C_4,右击模型树Model→Part→WALL,选择AddtoPart,如图1-11所示。与Step1操作相同，选择C_4，确定即可。图1-10创建Part完成后模型树的变化图1-11AddtoPart的操作（5）创建Surface在二维问题中Surface是必需的，我们可以这样认为，二维问题中的Surface提供了网格数据的一个指针，如果这个指针不存在，求解器就不能读取其他网格节点的数据。在三维问题中，Surface的存在必须保证模型的封闭，即无孔、裂缝等，否则不能成功生成网格。同时在使用多块方法生成结构化网格过程中，合理创建Face到Surface的映射可以显著减少工作量，希望读者在后面的学习中体会。ICEM提供多种生成Surface的方法，如①根据Point或Curve创建；②、拉伸Curve创建；③旋转Curve创建；④根据多条Curve创建型面；⑤偏执面创建；⑥创建两个面的中面；⑦分割Surface；⑧合并Surface等。本节主要采用①方法创建Surface。选择Geometry标签栏，单机进入创建面的操作。Step1创建Surface。如图1-12所示，单击，在Method的下拉菜单中选择From2-4Curve，通过Curve创建Surface。Tolerance保持为默认值，单机，依次选择C_1、C_2、C_3、C_1、C_4，单击中键确定，结果如图1-13所示。图1-12创建Surface图1-13Surface创建结果Step2定义Surface的Part。操作与定义Curve的Part方法相同，定义Part名为SUR，选择Step1中创建的Surface。创建完成后观察模型树Model→Part的变化，通过取消SUR显示的方法观察是否创建成功。Step3保存几何模型。File→Geometry→SaveGeometryAs，保存当前的几何模型为Nozzle.tin。1.3定义网格参数（1）定义全局网格参数。主要是定义网格的全局尺寸，影响壳/面网格、体网格、棱柱边界层网格的太小。在标签栏中选择Mesh，单击进入定义网格全局参数操作。Step1定义网格全局尺寸。如图1-14所示，单击，定义Scalefactor为1，勾选Display复选框，Maxelement值为0.03，勾选Display复选框，其他选项保持默认值，单击Apply按钮。图1-14定义网格全局尺寸Step2定义全局壳网格参数。如图1-15所示，单击，定义网格类型为AllTri，定义网格生成方法为PatchDependent,其他参数保持默认值，单击Apply按钮。图1-15定义全局壳/面网格参数（2）定义Part的网格尺寸。在不同的Part定义不同的网格尺寸。对计算结果影响较大的区域定义较小的网格尺寸，对计算结果影响较小的区域可以定义较大的网格尺寸。这样既可以保证计算精度，同时又可以减小网格规模，提高数值计算效率。在标签栏中选择Mesh,单击进入定义Part网格尺寸操作。如图1-16所示，勾选Applyinflationparameterstocurves复选框，允许生成二维边界层网格。定义SUR的网格参数，MaxSize=0.02；定义WALL的网格参数：单击Prism，MaxSize=0.02，HeightRatio=1.2，NumLayers=5，单击Apply按钮确定。图1-16定义Part网格尺寸1.4生成网格Step1生成网格。选择标签栏中的Mesh，单击。如图1-17所示，在弹出的数据输入窗口中单击，其余参数设定保持为默认，单击Compute按钮生成网格，如图1-18所示。图1-17生成壳/面网格图1-18生成网格示意图观察生成的网格，发现在图1-18所示的两个角点处没有生成理想的边界层网格。分析该网格形状可知，是由于C_1和C_3上节点分布不合理造成的。下面将调整两条Curve上的节点分布。Step2调整网格。取消模型树Model→Mesh的勾选，隐藏Mesh，采用类似的操作隐藏Point、Surface和Body，仅显示Curve，便于观察操作。如图1-19所示，右击Model→Geometry→Curve，在弹出的对话框中选择CurveNodeSpacing和CurveElementSpacing,显示Curve上的节点数和节点分布情况，显示结果如图1-20所示。图1-19显示Curve的节点分布情况图1-20初始节点分布情况显示观察图1-20，定义了网格参数的C_4有明确的网格节点数和网格分布情况。其他的Curve的节点分布不明确，按照Surface的网格尺寸自由分析，这就导致了C_1和C_3上节点分布不合理。选择Mesh标签栏，单击，定义具体Curve的网格尺寸。在图1-21所示的数据输出窗口中，在Method下拉菜单中选择General；单击选择C_1，定义Numberofnodes=34，即节点数为34，单击Apply按钮，观察节点分布情况；在Bunching下拉菜单中选择BioGeometric，勾选CurveDirection复选框，定义Spacing1=0.005，Ratio1=1.4，单击Apply按钮确定，完成对C_1网格参数的定义。采用同样的参数定义C_3的网格尺寸。此时，节点分布情况如图1-22所示。图1-21定义C_1的网格尺寸图1-22定义完成后的节点分布情况采用Step1的操作再次生成网格，如图1-23所示。图1-23修改后的网格示意图Step3检查网格质量。选择EditMesh标签栏，单击，如图1-24所示，在Meshtypetocheck栏中选择TRI_3和QUAD_4，检查三角形和四边形网格单元；在Elementtocheck中选择All，检查所有的网格单元，在Criterion下拉菜单中选择Quality作为质量好坏的评判标准，单击Apply按钮确定，网格质量如图1-25所示。图1-24检查网格质量的操作图1-25网格质量1.5导出网格Step1File→Mesh→SaveMeshAs，保存当前的网格文件为Nozzle.uns。Step2在标签栏中选择Output，单击选择求解器。本书中将以FLUENT作为求解器讲解，因此在弹出对话框中的OutputSolver下拉菜单中选择ANSYSFluent，单击Apply按钮确定，如图1-26所示。Step3在ICEM中还可以定义计算边界条件类型，在标签栏中选择Output，单击即可进行。但是该操作仅能定义边界条件的类型，而不能定义具体的数值，如速度入口的速度值和方向等，因此笔者建议在求解器中定义边界条件。图1-26选择求解器Step4在标签栏中选择Output，单击，保存fbc和atr文件为默认名，在弹出的对话框中单击No按钮，不保存当前项目文件，在随后弹出的窗口中选择Step1中保存的Nozzle.uns。随后弹出如图1-27所示的对话框，在Griddimension栏中选中2D，即输出二维网格；可以在Outputfile栏内修改输出的路径和文件名，将文件名改为Nozzle，单击Done按钮导出网格。此时可在Outputfile栏所示的路径下找到Nozzle.msh。图1-27输出网格1.6喷管数值计算及后处理FLUENT的计算包括以下几个基本步骤：读入网格、定义求解模型、定义边界条件、初始化流场、迭代计算、后处理。Step1定义网格。打开Fluent，选择二维求解器。File→Read→Mesh，选择生成的网格Nozzle.msh。General→Check，检查网格质量，注意MinimumVolume应大于0。General→Scale，定义网格单位。在MeshWasCreatedIn下拉列表中选择m，单击Scale按钮。Step2定义求解模型。General→Solver，选择Axisymmetric，选择二维轴对称基于压力隐式稳态求解器。Models→Energy→Edit，该流动问题为可压缩流动，因此勾选EnergyEquation。Models→Viscous→Edit，选择湍流模型。该流动问题雷诺数较大，可以忽略粘性力对流动的影响，因此在弹出的Model对话框中选择Inviscid。Materials→air→Create/Edit，定义材料。在Density下拉菜单中选择ideal-gas,单击Change/Create，单击Close按钮退出。BoundaryConditions→OperatingConditions，定义工作条件，在本例中，边界条件给定值均为绝对压力，因此为了便于