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OpenFOAM案例｜02 文丘里管

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CFD之道

9月前浏览1153

1 案例描述

本案例为文丘里管流动的不可压缩流体数值模拟，采用 OpenFOAM 13 版本进行计算。该案例模拟了流体通过文丘里管时的流动特性，可以用于研究管道收缩和扩张段的速度分布、压力变化以及流动特性。

求解器类型：采用通用不可压缩流动求解器 incompressibleFluid

案例基本信息：

定常流动（Steady-state）
不可压缩流体
层流流动
三维轴对称模型

2 案例几何与网格

2.1 几何尺寸

几何模型如图所示。

文丘里管几何参数：

参数	数值	单位
管道直径	0.1	m
入口半径	0.05	m
喉部半径	0.025	m
入口段长度	0.1	m
过渡段长度	0.125	m
喉部段长度	0.05	m
扩张段长度	0.25	m
出口段长度	0.1	m
总长度	0.625	m

2.2 网格基本信息

案例采用 blockMesh 生成结构化六面体网格。

参数	数值
网格维度	三维（3D）
单元类型	六面体
入口段网格	16 × 8 × 8
过渡段网格	20 × 8 × 8
喉部段网格	8 × 8 × 8
扩张段网格	40 × 8 × 8
出口段网格	16 × 8 × 8
总网格单元数	约 8,000

生成的网格如下图所示。

2.3 边界定义

计算区域中包含的边界信息如下所示。

边界名称	边界类型	物理类型	描述
inlet	patch	inlet	入流边界
outlet	patch	outlet	出流边界
walls	wall	wall	管道壁面

2.4 网格特征

网格类型：采用结构化六面体网格
网格生成：使用 blockMesh 工具生成
网格分级：径向方向采用分级系数 0.5 进行网格加密
对称性：利用轴对称特性，采用四分之一圆截面

3 物理模型

3.1 流动模型

模型类型	具体模型	状态
流动类型	层流（Laminar）	开启

3.2 材料属性

属性	参数值	单位
运动粘度 (ν)	4.0×10⁻⁵	m²/s
粘度模型	constant	-

3.3 初始流场条件

变量	初始值	单位	说明
速度 U	(0, 0, 0)	m/s	初始静止
压力 p	0	Pa	相对压力

3.4 入口流动条件

参数	数值	单位
平均入口速度	0.2	m/s
入口速度分布	laminarBL

4 边界条件

4.1 速度场边界条件

边界	类型	参数值	说明
inlet	flowRateInletVelocity	meanVelocity = 0.2, profile = laminarBL	流量入口速度
outlet	pressureInletOutletVelocity	-	压力入口出口速度
walls	noSlip	-	无滑移壁面

4.2 压力场边界条件

边界	类型	参数值	说明
inlet	zeroGradient	-	零梯度
outlet	totalPressure	p0 = 0	总压边界
walls	zeroGradient	-	零梯度

5 求解控制参数

5.1 时间控制

参数	数值	说明
求解器	incompressibleFluid	不可压缩流体求解器
开始时间	0	初始时间
结束时间	1000	模拟结束时间（迭代步数）
时间步长	1	定常计算的时间步
时间方案	steadyState	定常状态求解

5.2 输出控制

参数	数值	说明
写入控制	timeStep	按时间步写入
写入间隔	50	每50步写入一次
清除写入	0	保留所有时间步数据
写入格式	ascii	ASCII 格式
写入精度	8	8位有效数字

5.3 离散格式

方程类型	离散格式	说明
时间项 (ddtSchemes)	steadyState	定常求解
梯度项 (gradSchemes)	cellLimited Gauss linear 1	限制线性格式
对流项 (divSchemes)	bounded Gauss linearUpwind limited	有界迎风格式
拉普拉斯项 (laplacianSchemes)	Gauss linear corrected	修正线性格式
插值格式 (interpolationSchemes)	linear	线性插值
面法向梯度 (snGradSchemes)	corrected	修正格式
壁面距离 (wallDist)	meshWave	波传播法

5.4 线性求解器设置

变量	求解器	容差	相对容差	光滑器
压力 (p)	GAMG	1×10⁻⁶	0.1	GaussSeidel
速度 (U)	s moothSolver	1×10⁻⁷	0.1	symGaussSeidel

5.5 PIMPLE 算法参数

参数	数值	说明
非正交修正	0	非正交修正次数
压力残差控制	1×10⁻⁵	收敛判据
速度残差控制	1×10⁻⁵	收敛判据
压力参考单元	0	参考单元索引
压力参考值	0	参考压力值

5.6 松弛因子

变量类型	变量	松弛因子	说明
场变量	压力 (p)	0.3	压力松弛因子
方程	速度 (U)	0.7	速度方程松弛因子

6 案例后处理

本案例配置了丰富的后处理操作，包括探针监测、速度剖面图和残差监测。

6.1 探针监测

在两个位置设置探针监测压力场：

探针1：位置 (0.05, 0.05, 0) - 入口过渡段
探针2：位置 (0.25, 0.025, 0) - 喉部段

6.2 速度剖面图

在6个截面位置生成速度分布图：

图形名称	X 位置	描述
graphA	0.0	入口
graphB	0.05	入口段
graphC	0.1625	过渡段
graphD	0.25	喉部
graphE	0.4	扩张段
graphF	0.575	出口段

每个剖面沿径向方向（y轴）从 -0.051 m 到 0.051 m 采样速度分量。

7 案例运行方式

7.1 串行计算

采用下面的命令可以进行串行计算：

cd venturiTube
blockMesh
createZones
foamRun
./createGraphs

7.2 并行计算

可以修改 system/decomposeParDict 文件后运行并行计算：

cd venturiTube
blockMesh
createZones
decomposePar
mpirun -np 4 foamRun
reconstructPar
./createGraphs

8 关键物理参数总结

参数类别	参数名称	数值	单位
几何参数	管道直径	0.1	m
	入口半径	0.05	m
	喉部半径	0.025	m
	总长度	0.625	m
流动参数	入口速度	0.2	m/s
	雷诺数	~500	-
流体属性	运动粘度	4.0×10⁻⁵	m²/s
计算参数	网格单元数	~8,000	-
	迭代步数	1000	-
	收敛容差	1×10⁻⁵	-