Fluent Tutorials｜01 歧管

注：本案例取自Fluent Tutorials Guide。

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本教程描述了利用Fluent模拟歧管三维湍流流动及传热问题的设置和求解方法。歧管结构在汽车工业中经常遇到，预测歧管混合区内的流场和温度场对于合理设计歧管非常重要。

本教程演示了如何在ansys fluent中执行以下操作：

• 在Fluent Meshing中使用Watertight Geometry流程
• 导入CAD几何模型
• 创建面网格
• 封闭进口与出口边界
• 抽取流体域
• 生成体网格
• 在Solution模式中设置合适的物理模型及边界条件
• 进行计算并查看仿真结果

1 问题描述

歧管几何模型如图所示。三个入口速度10 m/s，温度925 K，从底部出口流出。热空气在925K和相同的入口速度10m/s下通过三个入口，然后从出口排出。流体和歧管之间发生对流换热。计算考虑流体与歧管之间的换热。

2 Fluent Meshing设置

在Fluent Meshing中生成计算网格。

• 如下图所示启动Fluent Meshing
• 选择Meshing以进入Fluent Meshing
• 选择选项Double Precision采用双精度计算
• 选择Meshing Processes及Solver Porcesses为48。（这里根据计算机的CPU数量量力而设）
• 指定Working Directory工作路径（注意不能有中文路径）
• 点击Start启动Fluent Meshing

▲启动Fluent Meshing模块

• 选择工作流程为Watertight Geometry
• 导入CAD几何模型
• 选择节点Import Geometry
• 选择File Format为CAD
• 保持选项Units为默认的mm
• 选择并打开几何文件manifold.scdoc
• 点击按钮Import Geometry导入几何

注：工作流仅支持.scdoc (SpaceClaim)，.agdb(workbench)和中间文件格式.pmdb文件。

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几何导入后如下图所示。

• 设置局部尺寸
• 保持默认设置。本算例不进行局部加密设置

• 点击模型树节点Generate the Surface Mesh进入面网格设置
• 本算例中的面网格尺寸采用默认值。Fluent Meshing会根据导入的几何模型尺寸进行默认尺寸计算，大多数情况下默认值即可使用。用户也可以查看图形窗口中几何上出现的红色块，其表征了网格尺寸大小。
• 点击按钮Generate the Surface Mesh生成面网格

生成的面网格如下图所示。

• 点击模型树节点Describe Geometry进行计算域几何描述
• 如下图所示，采用默认参数设置

• 封闭几何区域
• 如下图所示创建入口边界inlet

• 如下图所示创建出口边界outlet

• 点击模型树节点Create Regions，如下图所示设置Estimated Number of Fluid Regions为1，此参数为预估计算域中包含有多少个流体计算域

• 点击模型树节点Update Regions，如下图所示进行设置。注意设置为dead的计算区域不会生成体网格

• 如下图所示生成边界层网格

• 如下图所示参数设置生成体网格

生成体网格如下图所示。

• 点击按钮Switch to Solution切换至求解模式

3 Fluent Solution求解

3.1 General设置

• 保持General设置参数为默认，如下图所示

3.2 Models设置

• 右键选择模型树节点Energy，点击弹出菜单项On启用能量方程

注：涉及到温度计算的问题都必须开启能量方程

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• 保持湍流模型为默认为SST k-omega湍流模型

3.3 Materials设置

• 修改默认材料Aluminum的介质属性如下图所示
• 右键选择模型树节点Setup → Materials → Solid → Aluminum ，点击弹出菜单项Edit...
• 修改材料名称为cast-iron
• 清除Chemical Formula文本框
• 设置Density为7150 kg/m3
• 设置Cp为460 j/kg-k
• 设置Thermal Conductivity 为50 w/m-k.
• 点击按钮Change/Create并且覆盖Aluminum材料

3.4 边界条件设置

1、入口边界设置

• 如下图所示，按鼠标CTRL键同时选择所有的入口边界，选择右键菜单项Multi Edit…

• 如下图所示设置边界参数
• 指定速度为10 m/s
• 指定湍流强度为10%
• 指定水力直径为0.04 m

• 指定温度为925 K

2、outlet设置

• 如下图所示指定出口边界条件

3、指定壁面边界

• 如下图所示选择出口边界，点击鼠标右键并选择弹出菜单项Multi Edit…

• 指定出口热边界
• 选择选项Convection
• 指定对流换热系数为10 W/(m2 k)
• 指定环境温度为300 K

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3.5 指定物理量监测

• 右键选择模型树节点Report Definitions，选择弹出菜单项New → Surface Report → Facet Maximum…

• 如下图所示检测出口面上最大速度

3.6 初始化设置

• 如下图所示进行计算初始化

3.7 计算

• 如下图所示设置计算参数
• 点击模型树节点Run Calculation
• 弹出面板中指定参数Time Scale Factor为5
• 指定参数Number of Iterations为500
• 点击按钮Calculate进行计算

计算残差如下图所示。

监测的出口面上的最大速度变化曲线如下图所示。

4 后处理

• 查看温度

• 如下图所示设置查看的物理量

• 固体壁面上温度分布如下图所示

• 查看流线，如下图所示