FLUENT在管壳式换热器流动模拟中的应用

本教程演示了管壳式换热器内的流体流动和传热问题的设置和求解。计算域包含壳体（流体域）、管道（固体域）以及管道内流体区域（流体域）三部分组成。

1     启动Workbench并建立分析项目

1）在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 19.2→Workbench命令，启动Workbench 19.2，进入ANSYS Workbench 19.2界面。

2）双击主界面Toolbox（工具箱）中的Analysis systems→Fluid Flow（Fluent）选项，即可在项目管理区创建分析项目A。

2   导入几何体

1）在A2栏的Geometry上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Import Geometry→Browse命令，此时会弹出“打开”对话框。

2）在弹出的“打开”对话框中选择文件路径，导入leak.agdb几何体文件。

3   划分网格

1）双击A3栏Mesh项，进入Meshing界面，在该界面下进行模型的网格划分。

2）右键壳体入口平面，在弹出的快捷菜单中选择Create Named Selection，输入名称Hot-inlet，单击OK按钮确认。

3）同步骤（2）创建壳体出口，命名为Hot-outlet。

4）同步骤（2）创建管体的出入口，分别命名为Cold-inlet，Cold-outlet。

5）右键选择壳体，在弹出的快捷菜单中选择Create Named Selection，弹出Selection Name对话框，输入名称Shell。

6）同步骤（5）选择内部管道固体域和流体域，分别命名为Tube-solid，Tube-fluid。

7）右键单击模型树中Mesh选项，选择快捷菜单中的Generate Mesh选项，开始生成网格。

8）网格划分完成以后，单击模型树中Mesh项可以在图形窗口中查看网格。

9）执行主菜单File→Close Meshing命令，退出网格划分界面，返回到Workbench主界面。

10）右键单击Workbench界面中A3 Mesh项，选择快捷菜单中的Update项，完成网格数据往Fluent分析模块中的传递。

4   定义模型

1）双击A4栏Setup项，打开Fluent Launcher对话框，单击OK按钮进入FLUENT界面。

2）单击命令结构树中General按钮，弹出General（总体模型设定）面板。在SolverTime中选择Transient，勾选Gravity，在Z中填入-9.81m/s2。

3）在模型设定面板Models中双击Energy按钮，弹出Energy（能量模型）对话框，勾选Energy Equation，单击OK按钮确认并关闭对话框。

4）在模型设定面板Models中双击Viscous按钮，弹出Viscous Model（湍流模型）对话框，在Model中选择Realizable k-epsilon(2eqn)，在Near-Wall Treatment中选择Scalable Wall Functions，单击OK按钮确认并关闭对话框。

5    设置材料

1）单击主菜单中Setting Up Physics→Materials→Create/Edit，弹出Create/Edit Materials（材料）对话框。单击Fluent Database按钮弹出Fluent Database Materials对话框，选择water liquid单击Copy按钮确认。

2）同（1），选择固体材料铜。

7    设置操作条件

1）单击主菜单中Setting Up Physics→Zones→Cell Zone Conditions面板。设置壳体材料为水，管道材料为铜，管道内材料为水。

2）单击Operating Conditions按钮弹出Operating Conditions对话框，勾选Specified Operating Density，单击OK按钮并关闭对话框。

8    设置交界面

1）单击主菜单中Setting Up Physics→Interfaces→Mesh按钮启动的Mesh Interfaces对话框，依次选择contact_region和contact_region_2，单击Delete按钮删除Meshing自动生成的交界面。

2）单击Manual Create按钮弹出Create/Edit Mesh Interfaces对话框，分别选择contact_region-src和contact_region-trg，contact_region_2-src和contact_region_2-trg，勾选 Coupled Wall，创建interface1和interface2。

9    边界条件

1）单击主菜单中Setting Up Physics→Zones→Boundaries按钮启动的边界条件面板。

2）在边界条件面板中，双击cold-inlet弹出边界条件设置对话框。Velocity Magnitude输入1，在Thermal选项卡中，Temperature输入285，单击OK按钮确认退出。

3）同步骤（2）设置Hot-inlet，Velocity Magnitude输入1，在Thermal选项卡中，Temperature输入368，单击OK按钮确认退出。

4）在边界条件面板中，分别双击设置wall-shell和wall-tube-solid，Thermal Conditions选择Convection，Heat Transfer Coefficient输入23，Free Steam Temperature输入305，Wall Thickness输入0.001，Material Name选择copper，单击OK按钮确认退出。

10    初始条件

1）单击主菜单中Solve→Initialization按钮，弹出Solution Initialization（初始化设置）面板。

Initialization Methods中选择Hybrid Initialization，单击Initialize按钮进行初始化。

2）在Solution Initialization（初始化设置）面板中，单击Patch按钮，弹出Patch对话框，在Zone to Patch中选择所有计算域，Variable中选择Temperature，在Value中填入293，单击Patch按钮。

11   计算求解

1）单击主菜单中Solve→Run Calculation按钮，弹出如图16-28所示Run Calculation（运行计算）面板。

在Time Step Size中输入0.001，在Number of Time Steps中输入1000，单击Calculate开始计算。

12   结果后处理

1）双击C4栏Results项，进入CFD-Post界面。

2）单击任务栏中 Location→ Plane按钮，弹出Insert Plane（创建平面）对话框，保持平面名称为“Plane 1”，单击OK按钮进入Plane（平面设定）面板。

3）在Geometry（几何）选项卡中Method选择ZX Plane，Y坐标取值设定为0，单位为m，单击Apply按钮创建平面。

4）单击任务栏中 （云图）按钮，弹出Insert Contour（创建云图）对话框。输入云图名称为“Temp”，单击OK按钮进入云图设定面板。

5）在Geometry（几何）选项卡中Locations选择Plane 1，Variable选择Temperature，单击Apply按钮创建速度云图。

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