本案例利用CFX计算并验证管道内部泊肃叶流动产生的层流压降。

文献：F.M. White. Fluid Mechanics. 3rd Edition. McGraw-Hill Book Co., New York, NY. 1994.

1 案例描述

本案例计算管道内部泊肃叶流动压降。案例几何如图所示。

管道半径0.00125m，长度0.1m，内部介质密度1 kg/m3，粘度1e-5 kg/m-s。管内入口流动为充分发展层流，平均速度为2 m/s。

充分发展速度表达式为： 

2 验证解

验证解析解来自F. M. White. Fluid Mechanics(7nd ed)，p357。

本案例雷诺数为： 

泊肃叶流动摩擦系数：

可得压降： 

采用2D轴对称模型进行计算。

3 CFX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

• 鼠标双击模型树节点Materials > Air at 25 C打开材料属性编辑面板

• 如下图所示，材料设置面板中修改Density为1 kg/m3

• 设置Dynamic Viscosity为1 E-5 Pa.s

• 点击OK按钮关闭面板

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，设置Heat Transfer为None，设置Turbulence为None(Laminar)，点击OK按钮关闭面板

注：本案例不考虑传热

3.5 边界条件

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

• 在Basic Settings标签页中设置Location为inlet

• 切换至Boundary Details标签页，设置Normal Speed为4[m/s]*(1-(r/1[m])^2/0.00125^2)

• 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

• 在Basic Settings标签页中设置Location为outlet

• 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

• 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symmetry

• 在Basic Settings标签页中设置Location为periodic.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. Iterations为100，设置Max. Iterations为500，设置Residual Target为1e-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 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

• 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 Results及Shut down CFX-Solver Manager，点击OK按钮启动CFD-Post

4 计算结果

1、定义压降表达式

• 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

• 弹出对话框中为表达式命名为PressureDrop，点击OK按钮关闭对话框

• 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10.3203 Pa，与解析值10.24 Pa相比，误差0.7%，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/1NDUi8pZ4eKbc1eOYaPwJnA 

提取码：l800

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道