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

• 在Basic Settings标签页中设置Location为inlet

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

• 切换至Boundary Details标签页，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symmetry1
• 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

• 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%。

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提取码：i8bk

文件版本：CFX2019 R3

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道