FLUENT仿真案例精选-针头注射模型流体分析

导读

本期，我们将主要使用Ansys Fluent来对某针头注射模型进行流体分析。通过方案步骤说明，我们也可以直观地感受到Fluent的便利以及功能的强大。

模型分为针管模型和试管模型，针管底部距离试管底部5mm距离，针管入口设置1000uL/s的流量，针管顶部推进液段尺寸1.6mm 底部采样液管0.6mm。

模拟过程：液滴下落到试管的整个过程。

STEP 02 网格划分

由于模型尺寸极小，液体流动速度在微米级别，因此模型网格做成规整的结构化网格为佳。流动形式为层流状态，因此也不需要边界层绘制。网格前处理方式为ANSA。

本模型也可以使用Fluent Mesh 制作多面体网格来求解。但是为了获得较规整的液面，建议采用棱柱形网格和六面体网格制作。

六面体网格导入Ansys后，可以根据前期计算，通过Adapt模型加密局部区域网格，下图为在Ansys里识别加密的区域，这样就不用折返回原有前处理软件加密网格了。

STEP 03 选择流体模型

流动模型选择层流原因：

• 模型状态接近毛细管，液体的粘性流动状态为主体，另外雷诺数上看为层流状态。
• 选择其他湍流模型时，本例无一例外均会计算几步后就因为湍流粘度过大而发散。

多相流模型采用隐式VOF求解器。VOF求解器用于两种不互溶的相态模拟，隐式VOF对液面状态捕捉不如显式求解器精准，但是显示求解器计算效率要远低于隐式求解器。

VOF 求解器限制：

为了确保模型质量守恒。VOF求解器计算时间步必须足够小，本例时间步在1e-4 s 时，收敛性可以接受。当时间步调整到1e-3s 时，收敛性变差。

显式VOF求解器，求解过程时间步要更小，才能确保收敛，不然模型会自动警告并停止计算。隐式求解器虽然不会警告用户，但是计算精度会严重降低。因此本例计算精度不会很高。

STEP 04 计算模型参数设置

多相流选择VOF，建议前期采用隐式VOF模型，等液滴即将抵达管口下落时候切换到显式模型获得精确的液滴状态。

先设置材料，空气和水，再把空气作为第一相，水第二相，定义水表面张力。

湍流函数选择层流

动网格设置如下：

时间步设置为0.0005s ，如果是显式算法需要调整到0.00001s。

STEP 05 结果展示

隐式算法：计算过程最终未收敛，液滴离开试管后质量丢失，计算出错，产生此类原因如下：

• 外部软件建立的结构化网格在斜管出口位置为四面体网格，此位置网格质量很难保证。考虑后期采用多面体网格加密到0.05mm的尺寸。
• 隐式VOF求解过程 连续性方程难以收敛，0.001s时间步液滴离开管之后收敛性变差，0.15s 液滴无端消失。说明隐式算法无法获取液滴的状态。

显式算法，可观察到液滴的挂壁和下坠过程，理论上1000ul/s的推力，液滴排出时间约0.3s。仿真结果在0.3s 状态下，液滴基本脱离滴管，但是存在部分液滴残留在试管口，目前的仿真模型因为网格区域设置和网格密度问题，无法精确检测到残留液滴的体积和落入试管的液滴质量。

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