CFD学习报告

1/11CFD学习报告一、几何建模本次CFD学习报告采用FLUENT中自带有的蒸发/冷凝模型，模拟制冷剂在热管中蒸发与冷凝过程，由于涉及两相的质量与能量转换问题，较为复杂，因此为保证能顺利模拟，不使用UDF，而使用FLUENT中提供的两相流模型，FLUENT中提供的两相流模型有：VOF模型（VolumeofFluidMode），混合模型（MixtureModel），和欧拉模型（EulerianModel），这里使用mixture两相流模型进行模拟。1、模型描述图1-1模型简图模型几何结构较为简单，如图1-1所示。计算域热管的高度为100mm，宽10mm,倾斜角40°，热管分为三个部分，即：加热段、冷凝段、绝热段。顶部冷凝段边界为璧面，底部加热段边界亦为璧面。2、模拟参数描述加热段加热温度500k,冷凝段温度300k,中间绝热的为绝热条件，与外界不换热。热管模型工作介质为水。热管内垂直方向的工作介质页面高度20mm.2/113、建模由于模型比较简单，可直接使用icem建立模型，也可使用CAD建模软件建模，本次使用inventor2017建立模型，过程不再赘述，只叙述建模过程中发现的几点问题：一是在建模过程中应当将模型建立在X-Y平面，否则不能正常划分网格。二是应该注意模型的最左端最好置于坐标原点，以便在fluent或者icem中确定模型尺寸，方便后续操作。三是建模完毕之后，要先在inventor2017生成面片，再导出模型。二、网格划分1、导入模型打开iceman，导入几何模型，先对模型进行修复，去除多余的拓扑信息。2、part划分模型只需划分三个part，加热段新建part，命名为hot-wall，冷凝段为cool-wall，绝热段为璧面边界条件wall。3、网格划分全局网格尺寸设置为0.3，分别设置热管长度方向和宽度方向的节点数量为400和40。选择surface网格，点击计算，自动划分面网格，网格如下3/11图2-1网格划分4、网格质量检查一般而言，网格质量大于0.3，即可满足工程计算要求，点击网格质量检查，结果如下图2-1网格质量如图所示，网格最小质量为0.43，大于0.3，表明网格质量较好，满足计算要求。5、输出网格先选择求解器类型为fluent，再导出网格。三、求解计算1、导入网格打开fluent，选择2D，导入上步生成的网格模型。Scale检查网格尺寸，并选择单位。2、进行网格质量检查，只要保证最小网格体积大于0即可，选择Grid/Che命令结果如图所示4/11图3-1fluent中的网格质量检查3、设置求解器选择压力基(pressure-based)求解器，同时选择瞬态模拟。由于水沸腾时水蒸气会在浮力作用下向出口运动，因此考虑重力。设置重力加速度为重力加速度为y方向，大小-9.81m/s2。4、设置计算模型添加多相流模型为mixture模型，勾选slipvelocity及implicitbodyforce，设置欧拉相数量为2。5、激活能量方程。6、材料设置添加材料water-vapor及water-liquid。修改材料属性。Water-liquid属性设置如下：Density：1000kg/m3Viscosity：0.0009kg/m-sStandardstateenthalpy：0j/kg.molReferencetemperature：298k其他采用默认属性。Water-vapor属性如下：Cp：2014j/kg-k5/11Standardstateenthalpy：2.99e7j/kgmolReferencetemperature：298.15k其他属性采用默认设置。7、相设置设置液态水为主相，水蒸气为第二相。设置气泡直径0.0002m。定义相间作用，即定义蒸发/冷凝模型。点击interaction按钮进入对话框。选择fromphase为liquid，选择tophase为vapor，即为由液态转化为气态，选择模型为evaproation-condensation。8、设置边界条件本模型的边界条件较为简单。Coo-wall：设置温度300KWall：设置为绝热边界。设置heatflux为0Hotwall：设置temperature为500K点击operatingconditions。设置参考密度为气相密度0.5542。9、求解方法设置pressure为bodyforceweighted，其他momentum、volumefraction、energy全采用quick算法，有利于提高计算精度。在solutioncontrols面板中设置亚松弛因子。设置pressurewie为0.5，momentum为0.2,volumefration为110、初始化初始化时设置temperature为372K需要patch两个区域：1）与hot-wall相邻网格节点。由于hotwall温度高达500K，超出水的沸373.15K。点击Adaptboundary，在boundaryzones中选择6/11hot-wall，设置numberofcells为1，点击mark即可对此区域节点进行标记，点击patc按钮，将hot-wall温度标记为373k。2）Patch出初始水位。由于初始状态下计算域中有深20mm的水，因此需要通过patch将其标记出来。点击菜单Adaptregion进入区域标记对话框，设置patch区域，点击patc按钮，将标记区域气相体积分数设置为0点击查看云图，以检查patch是否正确，结果如图。图3-2液面patch11、监控设置设置监控计算域气相分布云图与液相分布云图，以便观察计算过程中的蒸发-冷凝现象，设置每计算10自动保存，设置监控动画。12、设置计算设置时间步长0.01s，时间步数1000步，开始迭代计算。四、结果分析1、计算残差曲线计算残差曲线如图所示，虽然计算残差曲线震荡，但本模型模拟的热管蒸发-冷凝过程，物理过程动态进行，最终目的是实现蒸发-冷凝-蒸发的整个循环过程，残差曲线对物理过程的模拟影响不大。7/11图4-1计算残差曲线2、计算结果云图由于监控蒸发-冷凝过程的气相/液相云图动画视频较大，不便于附加于本文档，这里截取监控动画视频的几个典型阶段，对水在热管中蒸发-冷凝的模拟过程加以说明。1）液相云图8/112）气相云图9/11从气相云图与液相云图可以看出，水在热管中整个蒸发-冷凝过程实现了循环，在热管换热器的底部，液态水逐步蒸发，在顶部实现了冷凝过程，冷凝的液体依靠重力作用回流到热管底部，从而实现了蒸发-冷凝-蒸发的循环过程，模型整体上实现了对热管换热器工作的物理过程模拟。5、学习心得由于以前接触过fluent，因此学习起来还是相对比较快速的，但以前对CFD原理以及操作细节方面认识还是比较浅显的，主要还是停留在对具体问题的处理上，没有一个全局观念。本次的CFD课程，使我对CFD有了更深的了解。10/11通过本次课的学习，我对CFD的原理和利用，icem网格划分技巧，CFD进行模拟计算的过程，以及计算结果的分析处理方面有了更深了解，为以后进行更为深入的学习相关知识，处理有关模拟的具体问题打下了坚定基础。当然，在完成学习报告的过程中也遇到了一些难题，对这些问题的追溯求问，使我对CFD的理解更深了。首先是在网格划分上，虽然课程中讲述的几何模型不是特别的复杂，而且自己以前也接触过icem的使用，但在联系过程中还是遇到了一些问题，譬如：在CAD建模软件中建立的模型导入icem是出错，以及网格划分过程中出现网格错乱，质量不高，以及对结构化网格的划分出现关联不上的问题，这些些问题的解决使我对icem的使用更加的游刃有余，也对结构化、非结构化网格的特点更加了解。此外，在part划分过程中，也遇到一些问题，例如：在icem中定义的part，划分网格之后，导入fluent中，会出现模型不可选状态，或者出现定义的part在fluent中被自动过滤，导致fluent中的边界条件无法编辑和修改等问题，当然，经过多次尝试之后，发现，这主要是因为在icem中定义的part关联出现问题，可重新关联或者对定义的part进行单独的线网格划分（针对二维模型），可以解决fluent中模型边界条件被过滤的问题。其次，在fluent使用过程中，我对两相流模型也有了更深入了解，虽然课程未涉及这部分内容，但在撰写笨学习报告过程中我对FLUENT中提供的：VOF模型（VolumeofFluidMode），混合模型（MixtureModel），和欧拉模型（EulerianModel），这三种两相流模型有了新的认识，对他们的使用范围，求解特点等有了具体了解，比如：VOF模型主要用来处理没有相互穿插的多相流问题，在处理两相流中，VOF模型假设计算的每个控制容积中第一相的体积含量为a1，如果a1=0，表示该控制容积中不含第一相，如果α1=1，则表示该控制容积中只含有第一相，如果0-a11，表示该控制容积中有两相交界面等等。这些都加深了我对fluent的理解。当然，原则上来说，本例的热管蒸发-冷凝模拟，使用vof模型来模拟可能更加贴合模型特点。最后，我对fluent中监控动画以及云图绘制和后处理软件有了实际操作体验，以前的fluent模拟多是停留在参数设置方面的学习，这次的CFD课程让我有机会全流程的学习了FLUENT模拟过程。从控制方程等最基础的内容出发，11/11到最终的模拟结果后处理，这对整体把握模拟物理过程的流程和关键点至关重要。当然，后续也还要坚持学习，更好掌握模拟，了解模拟各种问题的一般性步骤和模型简化等方面的内容为后面的学习工作打下基础。