本案例利用CFX计算管道中湍流流动压降。
1 案例描述
本案例计算空气流经光滑的水平管道,管道长度2m,半径0.002 m,空气密度1.225 kg/m3,粘度1.7894e-5 kg/m-s,管道入口速度50 m/s,出口压力 0 Pa。计算管道的压降。
采用轴对称模型。入口采用速度边界,50m/s;出口为压力出口,静压 0Pa;采用稳态求解。湍流模型采用SST k-omega模型。
2 案例验证
流经管道的雷诺数:
为湍流流动,采用布拉休斯公式计算摩擦系数(F. M. White. Fluid Mechanics(7nd ed). P366页)
则压力降:
3 CFX计算设置
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。
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点击按钮CFX-Pre启动CFX前处理界面
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点击菜单File → New Case新建case
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弹出对话框中选择General,点击OK按钮
3.2 读取网格
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选择菜单File → Import → Mesh,弹出对话框中选择网格文件VM03.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 设置材料参数
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鼠标双击模型树节点Materials > Air at 25 C打开材料属性编辑面板
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如下图所示,材料设置面板中修改Density为1.225 kg/m3
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设置Dynamic Viscosity为1.789E-5 Pa.s
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点击OK按钮关闭面板
2.4 设置计算域
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鼠标双击模型树节点Flow Analysis 1 > Default Domain打开区域设置面板
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切换到Fluid Models标签页,设置Heat Transfer为IsoThermal,设置Turbulence为Shear Stress Transport,点击OK按钮关闭面板
注:本案例不考虑传热
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切换至标签Initialization,如下图所示进行全局初始化,点击OK按钮关闭对话框
注:本案例为稳态计算,也可以采用自动初始化
2.5 边界条件
1、入口边界
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右键选择模型树节点Default Domain,点击弹出菜单项Insert → Boundary插入边界
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将边界命名为inlet
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在Basic Settings标签页中设置Location为inlet
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切换至Boundary Details标签页,设置Mass And Momentum指定方式为Cart. Vel. Components,设置U为50 m/s,其他两方向速度为0
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设置Turbulence指定方式为Intensity and length Scale,设置Fractional Intensity为0.01,指定Eddy Length Scale为0.002 m
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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
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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
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在Basic Settings标签页中设置Location为outlet
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切换至Boundary Details标签页,设置设置Mass And Momentum指定方式为Static Pressure,设置Relative Pressure为0 Pa
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点击OK按钮关闭对话框
3、设置对称边界
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右键选择模型树节点Default Domain,点击弹出菜单项Insert → Boundary插入边界symmetry
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在Basic Settings标签页中设置Location为periodic.1,如下图所示
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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。
2.6 Solution Controls
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鼠标双击模型树节点Solver Control,打开设置面板
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如下图所示的设置面板中,设置Turbulence Numerics Option为High Resolution,设置Max. Iterations为400,设置Length Scale Option为Aggressive,设置Residual Target为1e-7
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点击OK按钮关闭面板
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点击菜单项File → Save Case保存文件
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点击工具栏按钮Define Run写入求解器文件
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点击Save按钮启动CFX求解管理器
2.7 开始计算
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求解管理器对话框中设置Run Mode为Intel 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
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点击按钮-Start Run开始计算
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计算完毕后弹出提示对话框,激活选项Post-Process Results及Shut down CFX-Solver Manager,点击OK按钮启动CFD-Post
3 计算结果
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CFD-Post中左侧模型面板中切换至Expressions标签页,在任意空白位置点击鼠标右键,选择弹出菜单项New新建表达式
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弹出对话框中为表达式命名为PressureDrop,点击OK按钮关闭对话框
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输入表达式areaAve(Total Pressure)@inlet -areaAve(Total Pressure)@outlet,点击按钮Apply,则Value显示为计算结果。
如图所示,计算得到的压力降为20618.3 Pa,与解析值22366 Pa相比,误差7.81%,本案例网格较为粗糙,增加网格密度有助于提高计算精度。
链接:
https://pan.baidu.com/s/1zFMEuZdUBjK8-kYXUAPyRg
提取码:b17h
仅以此系列纪念引我踏上CFD贼船的CFX!
本篇文章来源于微信公众号: CFD之道
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