本案例利用Fluent的凝固熔化模型计算管道结冰现象。

注：案例部分数据来自STAR CCM+文档。

1 案例描述

本案例将要计算的模型如图所示。

采用轴对称模型计算封闭管道内水受管壁温度影响而结冰的现象。管道壁面温度与轴向距离成函数关系：

温度随管道长度的变化曲线如图所示。

采用凝固融化模型进行计算，材料介质参数如表所示。

导热率采用表达式进行指定。

2 计算网格

管道长度0.3 m，半径0.01 m。计算网格如下图所示（局部放大）。

3 Fluent设置

• 以2D、Double Precision方式启动Fluetn
• 读取网格文件watertoice.msh

3.1 General设置

• 激活选项Transient及Axisymmetric，如下图所示

3.2 Models设置

• 激活Energy模型

• 设置流动模型为Laminar

• 激活Solidification & Melting模型

3.3 准备UDF

这里采用UDF定义壁面温度以及材料介质的热传导系数。

程序代码如下：

#include "udf.h"
 
DEFINE_PROFILE(temp,t,i)
{
    real x[ND_ND];
    face_t f;
    real wtemp;
    begin_f_loop(f,t)
    {
        F_CENTROID(x,f,t);
 
        wtemp = 2010*pow(x[0]-0.15,2)+253;
 
        if(wtemp > 273.1)
        {
            wtemp = 273.1;
        }
 
        F_PROFILE(f,t,i) = wtemp;
    }
    end_f_loop(f,t)
}
 
 
 
DEFINE_PROPERTY(cond,c,t)
{
    real conductivity;
    real ctemp = C_T(c,t);
    if(ctemp > 273.0)
    {
        conductivity = 0.620271;
    }else
    {
        conductivity = 2.73;
    }
    return conductivity;
}

编写以上代码并对代码进行解释。

3.4 Materials设置

• 鼠标双击模型树节点Materials > fluid > air打开材料介质属性设置对话框，如下图所示设置材料参数

3.5 设置边界条件

• 设置顶部壁面边界top的温度为udf temp，如下图所示，其他边界条件采用默认设置

3.6 Methods设置

• 进入Methods面板，设置压力-速度耦合方法为PISO

3.7 Controls设置

• 进入Controls面板，修改Liquid Fraction Update的亚松弛因子为0.4

3.8 初始化计算

• 初始化全局Temperature为273.1 K

注：不要问273.1 K的依据是什么，初始条件不需要依据，自己拿温度计测。

3.9 自动保存

• 设置自动保存，每一个时间步保存一个数据

3.10 计算参数

• 如下图所示设置计算参数

3.11 计算结果

• 结冰过程如下图所示

注：本案例没有考虑到流体流动（密闭空间，未考虑流体密度变化）。若要考虑流体受温度影响产生的流动，可参阅自然对流案例。

相关文件：

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道