Fluent Tutorials精选:二维喷管流动模拟

本算例演示利用Fluent中的密度基求解器计算二维喷管内的瞬态流动。


本教程演示了如何执行以下操作:

  • 使用基于密度的隐式求解器计算稳态解,并将其作为瞬态计算的初始条件
  • 使用表达式定义瞬态边界条件
  • 使用动态网格自适应方法
  • 使用二阶隐式瞬态格式和密度基隐式求解器计算瞬态解

1 问题描述

计算模型如下图所示。喷嘴几何被考虑为2D平面模型,其直径为0.2 m,喷嘴轮廓为正弦形状,波谷处的通流面积减小20%。

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2 Fluent设置

  • 以2D、Double Precision模式启动Fluent
  • 选择File → Read → Mesh... 读取网格文件nozzle.msh

2.1 General设置

  • 点击Scale...打开Scale Mesh对话框,检查计算区域尺寸

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  • 点击Units按钮设置pressure的单位为atm

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  • 这里先计算稳态,General面板中,激活选项Density-Based采用密度基求解器

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注:当流动区域中没有显著的低速区域时,密度基隐式求解器是可压缩跨声速流动的首选求解器。若计算区域中存在有明显低速区域,此时应该首选压力基求解器。对于具有移动激波的问题时,建议选用具有显式时间步进的压力基显式求解器。 ”

2.2 Models设置

  • 激活能量方程

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  • 选择使用SST k-omega湍流模型

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2.3 Materials设置

  • 修改空气的密度为ideal-gas,如下图所示

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2.4 操作条件设置

  • 指定参考压力为0

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2.5 边界条件设置

  • 指定入口边界inlet的入口总压为0.9 atm,指定表压为0.7369 atm

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  • 指定出口表压为0.739 atm

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注:如果出口处出现大量回流,您可能需要将回流值调整到接近实际出口条件的水平。 ”

2.6 Methods设置

  • 采用默认计算方法

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2.7 Controls设置

  • 修改Courant Number为50

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注:密度基隐式格式的默认库朗数是5。对于相对简单问题,将Courant数设置为10、20、100或更高的值可能是合适的,更大的库朗数可以加快计算收敛。但是如果在模拟开始时遇到收敛困难,那么应该考虑将Courant数设置为默认值5或更低。随着计算进行,可以开始逐渐增加库朗数,直到达到最终收敛。 ”

2.8 监控出口流量

  • 如下图所示监控出口边界的质量流量

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2.9 初始化计算

  • 采用混合初始化

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2.10 设置网格自适应

  • 选择**Domain → Adapt → Refine/Coarsen...**打开网格自适应对话框
  • 选择**Cell Registers → New → Field Variable…**新建变量

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  • 如下图所示创建压力梯度大于0.7的判定变量scaled_gradient_refn

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  • 同样的方式创建一个压力梯度小于0.3的变量scaled_gradient_crsn

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  • 将变量添加到网格缩放标准中,如下图所示

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2.11 迭代计算

  • 设置迭代计算500次,并进行计算

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  • 监测得到的出口位置质量流量变化如下图所示

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  • 自动加密的计算网格,如下图所示

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  • 视图对称显示,压力分布如下图所示

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  • 速度分布如下图所示

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3 瞬态计算


喷管出口位置的压力为一个随时间变化的函数:

式中,为瞬态压力变化的圆频率,rad/s;为出口平均压力,atm。本算例中, rad/s, atm。


  • 进入General面板,选择选项Transient启用瞬态计算

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  • 打开出口边界outlet参数设置,指定Gauge Pressure为expression

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  • 指定出口边界压力表达式为(0.12*sin(2200[Hz]*t) 0.737)*101325.0[Pa]

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  • 打开网格自适应对话框,修改Frequency为10

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  • 进入迭代计算对话框,修改计算时间步数为600,指定时间步长2.85596e-5 s,进行计算

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注:这里出口压力波动周期,计算时取百分之一周期作为时间步长,共计算6个周期。 ”


  • 监测得到的出口质量流量随时间变化曲线如下图所示

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  • 设置自动保存

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  • 创建速度云图动画

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  • 继续计算300步
  • 查看动画

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  • 速度随时间变化如下图所示

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