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1-喷管内非定常气体流动-轴对称与UDF.pdf

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  • 卖家[上传人]:热****
  • 文档编号:107977647
  • 上传时间:2019-10-22
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    • 1 喷管内二维非定常流动喷管内二维非定常流动 问题描述:问题描述:空气在一个大气压的作用下通过平均背压atmpexit9 . 0的缩放型喷管,喷 管结构如图 2-2-1 所示背压是以正弦波 exitexit pftAtp)sin()( 规律变化的利用 FLUENT-2d 求解器计算喷管内的不定常流动 在本例中,将利用 FLUENT 的耦合、隐式求解方法,针对在二维轴对称喷管内的不定 常流动进行求解在求解过程中,定常的解将作为非定常解的初始值 本例涉及到: 一、利用 GAMBIT 建立二维喷管计算模型的建模过程 1、 用坐标网格系统创建节点; 2、 两个节点之间创建直线; 3、 将一个角倒成圆弧; 4、 由边创建面; 5、 对各条边定义网格节点的分布; 6、 在面上创建结构化网格; 7、 定义边界类型; 8、 为 FLUENT5/6 输出网格 二、利用 FLUENT 进行求解 1、 求定常解(使用耦合、隐式求解器),并将其作为瞬态解的初始条件; 2、 用自定义函数(UDF)来定义不定常流动的边界条件; 3、 利用 FLUENT 的后处理功能显示流场中的速度、压力分布; 4、 利用 FLUENT 非定常流动的动画功能建立非定常流的动画显示。

      图 2-2-1 喷管示意图 2 一一、、利用利用 GAMBIT 建立计算模型建立计算模型 第第 1 1 步:启动步:启动 GambitGambit 第第 2 步:创建坐标步:创建坐标图和边界线的节点图和边界线的节点 1、 创建坐标网格图 操作操作:TOOLS → COORDINATE → DISPAY GRID 打开坐标网格设置对话框如图 (1) 点击 Visibility ; (2) 在 Plane 选中 XY;在 Axis 选中 X; (3) 在 Minimum 项填入-70; 在 Maximum 项填入 90; 在 Increment 填入 10; (4) 点击右侧的 Update list; 在 Axis 选中 Y; 在 Minimum 项填入 0; 在 Maximum 项填入 20; 在 Increment 项填入:5; 点击右侧的 Update list; 在 Options 下确认 Snap 处于被选中状态; 在 Grid 一栏选中 Lines; 点击 Apply 2、创建外部轮廓所需的节点 (1)Ctrl + 鼠标右击,依次点击坐标网格 线图上的 A、B、C、…、G 各点。

      (2) 在 Display Grid 对话框中, 使 Visibility 处于非选中状态,再点击 Apply坐 标网格将不再显示, 可以清晰地看到 所定义的节点 第第 3 步:创建步:创建流域流域 1、由节点创建直线 操作操作:GEOMETRY → EDGE→ CREAT EDGE 3 2、利用圆角功能对 D 点处的角倒成圆弧 操 作操 作 :GEOMETRY → EDGE →CREAT EDGE_ 操作结果如图 2-2-8 所示,直线 CD 和 DE 的 交点处已经变成圆弧线 3、由边线创建面 操作操作:GEOMETRY → FACES → FORM FACE 第第 4 步:定义边线上的步:定义边线上的网格网格节点分布节点分布 操作操作:MESH → EDGE → MESH EDGES 2、将其他边线定义为等距离分布的节点 4 第第 5 5 步:创建结构化步:创建结构化面面网格网格 操作操作:MESH → FACE → MESH FACES 第第 6 6 步:设置边界类型步:设置边界类型 1、 关闭网格线的显示 2、 设置边界类型 操作操作: ZONES → SPECIFY BOUNDARY TYPES 第第 7 7 步:输出网格并保存步:输出网格并保存文件文件 1、 输出网格文件 操作操作: File → Export → Mesh. 2、 保存 GAMBIT 文件并退出 GAMBIT 操作操作: File → Exit 图 2-2-14 区域内的网格图 5 二、二、利用利用FLUENT FLUENT 进行喷管内流动的仿真计算进行喷管内流动的仿真计算 准备工作:准备工作:启动 FLUENT 的 2d 求解器。

      第第 1 1 步:与网格相关的操作步:与网格相关的操作 1、 读入网格文件 操作操作: File → Read → Case. 2、 网格检查 操作操作: Grid → Check 3、设置长度单位为 mm 操作操作: Grid → Scale. 4、显示网格 操作操作: Display → Grid… 5、 通过中心轴进行对称反射 操作操作: Display →Views. 6、 重新定义压强的单位 为方便起见,重新定义压强的单位为大气压 atm;这不是默认单位,FLUENT 中压强 的单位默认是 Pa 操作操作: Define → Units… 第第 2 步:步:设置设置求解模型求解模型 1、 选择耦合、隐式求解器 操作操作: Define → Models → Solver.,打开求解器设置对话框如 图 2-2-25 所示 (1) 在 Solver 项选择 Coupled(耦 合求解器); (2) 在 Formulation(计算方式)下 选择 Implicit(隐式); (3) 在Space项选择Axisymmetric; (轴对称) (4) 在 Time 项选择 Steady (定常) ; (5) 保留其它默认设置,点击 OK。

      注意注意:先求解定常流动,计算结果作为非定常流动的初始值 图 2-2-25 求解器设置对话框 6 2、 选择湍流模型 操作操作: Define → Models → Viscous.,打开湍流模型设置对话框如图 注:Spalart-Allmaras 湍流模型是一种相对简单的一方程模型,仅考虑了动量的传递 方程在气体动力学中,对于有固壁边界的流动,利用 Spalart-Allmaras 模型计算边界 层内的流动以及压力梯度较大的流动都可得到较好的结果 第第 3 步:设置工作压强为步:设置工作压强为 0 atm 操作操作: Define → Operating Conditions.,打开工作压强设置对话框如图 2-2-28 所示 (1) 在 Operation Pressure [atm]下面的文本框内填入 0; (2) 其它项保留默认值;点击 OK 注:起始压强设置为 0 后,在边界条件设置时,将是以绝对压强给定的边界条件中压 强的给定总是相对于工作压强的 7 第第 4 步:设置流体属性步:设置流体属性 操作操作: Define → Materials.,打开流体属性设置对话框如图 2-2-27 所示。

      1、选择可压缩的理想气体 第第 5 步:设置边界条件步:设置边界条件 操作操作: Define → Boundary Conditions.,打开边界类型设置对话框如图 1、 设置喷管的入口边界条件 注: 喷管入口的滞止压强是根据喷管出口处的平均压强计算出的, 这个值在初始化是要 用到,即用来估计管内的速度 8 2、设置喷管出口的边界条件 第第 6 步:求解步:求解定常流动定常流动 1、 流场初始化 操作操作: Solve → Initialize → Initialize 2、 设置求解控制参数 操作操作: Solve → Controls → Solution.,打开求解控制参数设置对话框如图2-2-33 所示 (1) 在 Discretization 中的 Modified Turbulent Viscosity 下拉列表中选择 Second Order Upwind;(二阶迎风格式) (2) 保留其他默认设置,点击 OK 注:Second Order Upwind 可提供较高的计算精度 9 3、 设置残差监视器 操作操作: Solve → Monitors → Residual. 4、 设置出口质量流量监视器 操作操作: Solve → Monitors → Surface. 10 5、 保存 case 操作操作: File → Write → Case…. 6、 设置 1000 次迭代次数,开始计算 操作操作: Solve → Iterate. 7、 检查质量流量的连续性 操作操作: Report → Fluxes 注意 1:尽管质量流量曲线说明了解的收敛性,还应检查一下通过区域的质量流量是否 满足质量守恒定律。

      注意 2:流入与流出的质量有一点误差,这一误差应有一个范围,比如:总流量的 1%, 若超过这个范围,则应降低收敛临界值后继续计算 8、 显示定常流动速 度矢量 操作操作: Display → Vectors 9、 显示压强分布 操作操作: Display → Contours 10、 显示喷管壁面上 的压强分布 操作操作: Plot → XY Plot… 11 11、 保存计算结果(保存到 case 和 data 文件中) 操作操作: File → Write → Case begin_f_loop(f, thread) { real t = RP_Get_Real(“flow-time“); F_PROFILE(f, thread, position) =101325*(0.9+ 0.08*sin(1256.6*t)); } end_f_loop(f, thread) } 13 第第 8 步:求解非定常流步:求解非定常流动动 1、设置时间间隔的有关参数 设置时间间隔是进行非定常流动计算 的关键一步设时间间隔为1e-04,压力波 一个周期要求50个时间间隔压力波开始 和结束均在喷管的出口处。

      操作操作: Solve → Iterate (4) 点击下面的Apply按钮,保存设置 2. 修改出口处质量流量监视器设置 操作操作: Solve → Monitors → Surface. 14 3. 保存求解结果到文件 nozuns.cas 操作操作: File → Write → Case. 4. 开始非定常瞬态流动计算 注:通过300个时间间隔的迭代计算,将完成6个压力波的流动过程计算 5. 保存计算结果文件 nozuns.dat 操作操作: File → Write → Data. 第第 9 步:对非定常流动计算数据的保存与后处理步:对非定常流动计算数据的保存与后处理 求解结果达到对时间的周期状态后, 为研究在一个压力周期内的流动变化规律, 再进行 50次的迭代计算利用FLUENT的动画功能来显示在每一个时间段内的压力变化,再利用自 动保存功能来保存每隔10个时间间隔的case和data文件在计算完成之后,可利用动画播放 功能来观察在此时间内的压力变化 2、 设置自动保存文件 再计算过程中,自动保存cas和dat文件,要求每隔10个时间间隔保存一次 操作操作: File → Write → Autosave…,打开自动保存设置对话框如图。

      15 注:FLUENT 在保存文件时, 会在文件名后面加上显示时间值 例 如tube0340.cas and tube0340.dat,其 中0340表示时间间隔 3、 设置管内压强的动画播放 操作操作: Solve → Animate → Define… 16 4、 增加 50 个时间间隔,继续计算 操作操作: Solve → Iterate.,打开迭代设 置对话框如图2-2-61所示 (1) 在Number of Time Steps 右侧文 本框内填入 50; (2) 保留其它设置,点击Iterate按钮, 开始计算 增加50个时间间隔意味着使求解时间增 加了0.005s,这也是一个压力变化周期的时 间利用自动保存功能,每隔0.001s保存一 次case、data文件,并保存动画文件在计算 结束后,应有5对case和data文件 4、更改显示方式 。

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