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CFX验证|07 非牛顿流动

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3月前浏览5336

本文摘要(由AI生成):

本文档介绍了一个在CFX中进行流体分析的流程。首先,导入了网格文件EX7.cas,对于轴对称模型建议先设置为cas文件再导入。接着,定义了新材料NonNewton,并为其设置了动力粘度为基于剪切应变率的幂律表达式。然后,设置了计算域为层流流动,不考虑传热。之后,定义了边界条件,包括入口、出口和对称边界,并导入了入口充分发展条件数据。在Solution Controls中设置了迭代次数和残差目标。最后,启动计算并在CFD-Post中分析计算结果,得到了压力降,与文献值的相对误差为0.9%。


本案例验证CFX计算管道内非牛顿幂律流体产生的压力降。

1 案例概述

参考资料:W.F. Hughes and J.A. Brighton. Schaum's Outline of Theory and Problems of Fluid Dynamics. McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, NY. 1991.
求解器:ANSYS Fluent
模型:稳态层流流动,幂率流体

2 模型描述

本案例描述的模型如图所示。

其中管道长度0.1m,直径 0.0025 m,入口为平均速度2m/s的完全发展层流速度边界,管道出口为静压为0的压力出口。流经管道中的介质密度 1000 kg/m3,动力粘度为幂率流体。 

其中,k=10,n=0.4

3 Fluent设置

3.1 启动CFX

启动CFX后,软件界面如下图所示,设置Working Directory为合适的英文路径。

  • 点击按钮CFX-Pre启动CFX前处理界面
  • 点击菜单File → New Case新建case

  • 弹出对话框中选择General,点击OK按钮

3.2 读取网格

  • 选择菜单File → Import → Mesh,弹出对话框中选择网格文件EX7.cas

注:对于2D轴对称模型,通常可以在Fluent中设置好轴对称后输出为cas文件再导入CFX,这样CFX会自动构建楔形体。否则若直接导入msh文件,则导入的模型为长方体。

导入的模型如图所示。

3.3 定义新材料

  • 右键选择节点Expressions,点击弹出菜单项Insert → Expression插入表达式并命名为powerlaw

  • 如下图所示插入表达式10[kg s^-1.6 m^-1]*(Shear Strain Rate)^(0.4-1)

注意表达式的单位。
  • 右键选择节点Materials,点击弹出菜单项Insert → Material插入新材料NonNewton

  • 如下图所示设置材料密度为1000 kg/m3,设置动力粘度为powerlaw

3.4 设置计算域

  • 鼠标双击模型树节点Flow Analysis 1 > Default Domain打开区域设置面板

  • 切换到Fluid Models标签页,如下图所示进行设置

注:本案例不考虑传热,且为层流流动

3.5 边界条件

在定义边界之前,先导入入口充分发展条件数据。这里采用csv文件进行定义。

  • 右键选择模型树节点User Functions,点击弹出菜单项Insert → Profile Data Function

  • 弹出对话框中如下图所示导入文件InputProfile.csv

1、入口边界

  • 右键选择模型树节点Default Domain,点击弹出菜单项Insert → Boundary插入边界

  • 将边界命名为inlet

  • Basic Settings标签页中设置Locationinlet

  • 切换至Boundary Details标签页

  • 其他参数保持默认设置,点击OK按钮关闭设置面板

2、出口边界

  • 右键选择模型树节点Default Domain,点击弹出菜单项Insert → Boundary插入边界outlet
  • Basic Settings标签页中设置Locationoutlet

  • 切换至Boundary Details标签页,设置Relative Pressure0 Pa

  • 点击OK按钮关闭对话框

3、设置对称边界

  • 右键选择模型树节点Default Domain,点击弹出菜单项Insert → Boundary插入边界symmetry1
  • Basic Settings标签页中设置Locationperiodic.1,如下图所示

  • 其他参数保持默认设置,点击OK按钮关闭设置面板
注:CFX读入Fluent的二维cas文件后会多出一些边界面,必须将其设置为对称面。剩下未定义的面默认为wall边界,本案例采用默认设置。

3.6 Solution Controls

  • 鼠标双击模型树节点Solver Control,打开设置面板

  • 如下图所示的设置面板中,设置Min. Iterations100,设置Max. Iterations500,设置Residual Target1e-6

  • 点击OK按钮关闭面板
  • 点击菜单项File → Save Case保存文件
  • 点击工具栏按钮Define Run写入求解器文件

  • 点击Save按钮启动CFX求解管理器

3.7 开始计算

  • 求解管理器对话框中设置Run ModeIntel MPI Local Parallel,点击下侧的加号可增加CPU数量,如下图所示设置CPU数量为6个
  • 点击按钮-Start Run开始计算

  • 计算完毕后弹出提示对话框,激活选项Post-Process ResultsShut down CFX-Solver Manager,点击OK按钮启动CFD-Post

4 计算结果

  • 利用菜单Insert → Expression插入表达式PressureDrop
  • 编辑表达式为areaAve(Total Pressure)@inlet -areaAve(Total Pressure)@outlet ,如下图所示

如图所示,CFX计算得到的压力降为61077.7 Pa。文献给出该条件下压降值为60.52 kPa,计算相对误差0.9%。


Fluent
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首次发布时间:2019-10-08
最近编辑:3月前
CFD之道
博士 | 教师 探讨CFD职场生活,闲谈CFD里外
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仿真秀0309190701
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