Fluent UDS案例分享:高级用户定义功能应用

1. 待求问题及其微分方程


为了验证我们UDS这种方式的正确性,我们求解温度偏微分方程,然后和Fluent自带的温度求解器得到的结果进行对比,来验证UDS的正确性。

我们模型使用二维模型,对于二维笛卡尔坐标系,能量方程为:




上面的方程来自百度百科:流体力学的能量方程_百度百科

上面方程的形式不是我们熟悉的形式,下面我们对其进行变形,转换为标准的形式。div表示散度,grad表示梯度,u表示矢量u。




展开来写的话,二维形式:




写成标准输运形式:




和Fluent提供的标准输运方程对比




变量即是T,扩散系数为k/cp,其中k为导热系数,cp为定压比热容。S为源项,我们这里可以忽略。



注:

a. 非常重要的一点,通过上面的推导,我们发现UDS方程中的扩散系数Гk和传热学中的扩散系数(热扩散系数α或者质量扩散系数D)并不是同一个概念,

b. Гk应该为ρα或者ρD,这可能是一些同学的模拟数据和文献数据对不上的原因。


2. 确定UDS的各项

能量方程:


Fluent提供的标准输运方程



对比这两个方程,我们会发现两个方程几乎没有差别。

瞬态项相同:


对流项相同:

唯一有区别的是扩散项,扩散项的系数需要设置

和标准输运方程完全相同的项不需要我们进行任何的设置,保持默认即可。本例中我们需要设置的只有扩散项的扩散系数。

注:如果是稳态计算,则不存在瞬态项


3. UDS方程需要设置的项


UDS有很多项,当我们的偏微分方程和标准输运方程的某些项相同时,自然不需要过多设置,但即便是一些项不相同,我们也不需要全部设置。我们只需要设置部分的参数即可。

注:a. 当非稳态项和对流项与标准输运方程形式完全相同时,Fluent提供了默认的设置,我们只需要选择即可,而不需要编写UDF。


非稳态项的标准形式



对流项的标准形式

b. 对于扩散项,则必须设置扩散系数,对于传热来说,UDS扩散系数为



4. Fluent UDS设置


4.1 读取case

打开Fluent-2D,读取文章末尾的Chapter73.cas文件


4.2 UDS界面

单击User-Defined-Scalars,打开User-Defined Scalars界面



Number of User-Defined Scalars:设置为1,表示设置一个UDS即导入一个输运方程。如果需要求解两个输运方程,需要设置为2


UDS Index:表示当前设置的UDS序号。如果我们有多个UDS方程需要设置,那么这里需要小心。


比如我们有三个UDS方程,当我们需要设置第一个方程的各项时,需要将UDS Index更改为0;同理需要设置第二个方程时,需要将UDS Index更改为1。


Solution zone:求解域,表示将UDS方程应用在的计算域,如果我们的计算域有多个,这里需要选择设置。


Flux Function:对流项通量,如果我们的方程和标准方程形式不同(即通量不是ρu),需要通过UDF编程设置。如果和标准方程形式相同,直接选择mass flow rate即可,表示ρu


Unsteady Function:瞬态项,当case为瞬态时,UDS界面会出现Unsteady Function,表示瞬态项,如果方程和标准方程形式不同,需要通过UDF编程设置。如果和标准方程形式相同,直接选择default即可。


对于我们的case,我们是稳态问题,没有瞬态项;同时对流项形式和标准形式相同,因此Flux Function选择Flux Function。这样我们已经设置好了方程的两项。



4.3 扩散项设置

扩散项的设置不在UDS界面。实际上扩散项只需要设置扩散系数即可,因此需要在材料属性界面设置扩散项。

Materis-air,双击打开air属性界面。当我们打开UDS后,材料属性会多出来UDS Diffusivity属性

UDS Diffusivity:即UDS扩散系数。单位为kg/(m*s)。传热学中的热扩散系数α单位为m2/s,乘以密度ρ(kg/m3)后,量纲刚好相符。

单击Edit后会出现下面的选项

User-defined:通过UDF来设置扩散系数,此处不提。

defined-per-uds:设置每个UDS的扩散系数。

当有多个UDS时,需要给每个UDS方程设置扩散系数。选中UDS-0,表示设置第一个UDS的扩散系数。

我这里之所以出现UDS-0和UDS-1,是因为我把UDS个数设置为2个,只是演示需要。我们只需要设置一个UDS即可。

Coefficient:下面有很多选项,其实就是扩散系数的设置形式。和其他物性参数类似。


本例为了和Fluent温度计算结果对比,需要将UDS扩散系数设置为k/cp。为了出现导入系数和比热容两个参数,需要打开能量方程。

注:这里的流动设置为层流,如果设置为湍流的话,扩散系数需要额外加上湍流扩散系数。

打开air材料属性


可以看到导入系数为0.0242,比热容为1006.43,因此UDS扩散系数为2.4045e-5

至此,我们UDS方程的各项都已经设置完成。接下来进行边界条件设置即可。


4.4 边界条件设置

Axis:symmetry对称边界

Inlet:速度入口velocity inlet;为了保证层流流动Re<2000,设置速度为U*d/μ<2000,可得到U<0.024m/s,设置U=0.01m/s。空气温度为280K。

UDS边界条件:由于UDS方程变量为温度,因此入口UDS边界设置280K.

注:User-Defined Scalar Boundary Condition:有两个选项


a. Specified Flux:这里的Specified Flux比较复杂,和Heat Flux不完全相同。

简单说明:Heat Flux即,

当三维时可写成,其量纲与相同,为W/m2,而Specified Flux 的定义为

其中为fluent中的扩散系数,单位kg/m·s。详细内容此处掠过

当UDS要求解的标量为温度时对第二类边界条件,已知Heat Flux,Specified Flux=Heat Flux/cp。

b. Specified Value:UDS值,直接指定边界处UDS待求变量的值。这里即280

Outlet:pressure outlet压力出口,回流温度280K

UDS值:这里需要选择Specified Flux,设置值为0。为什么需要这样设置呢??

这是因为这里的UDS值并不是回流的值,而是outlet边界的UDS值。如果这里设置为Specified Value=280,那么出口处的UDS值必等于280,与Fluent温度边界条件不符。

设置为Specified Flux=0,表示出口处是绝热的,UDS值根据计算得出。

Wall:wall壁面,壁面温度为340K。UDS设置为Specified Value=340K


4.5 计算设置


Solution Methods

压力速度耦合选择Coupled---Pseudo Transient,可大大加快稳态计算的收敛速度


Solution Initialization:标准初始化,Compute from选择inlet,单击Initialize


Run calculation:迭代步设置为1000


4.6 求解结果对比


温度云图对比

Y=0.7m温度曲线对比

无论云图还是曲线图都和Fluent自带的求解器相符,这也说明我们UDS设置的正确性。Specified Flux的正确性大家可自行验证



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