fluent作业王京辉

《FLUENT流体工程仿真计算实例与应用》

课程报告

有自由表面的水流.

班 级： 车辆二班

学生姓名： 王京辉

学 号： 20153138 任课教师： 王冬屏

有自由表面的水流

一、问题描述：

一个敞开到大气的大容器，顶部半径为1m，高为1m，内部高度的1/3充满水，水上为空气。容器以角速度3rad/sec匀角速旋转。利用FLUENT-2d求解计算容器内的水流情况以及自由表面形状的变化过程。 主要参数如下： 角速度： ω=3rad/s； 空气密度：ρ=1.225kg/m³； 黏度： μ=1740kg/(m.s)； 水的密度：ρ=998.2kg/ m³； 黏度： μ=1x10³kg/(m.s) 二、利用GAMBIT建模：

1、在gambit中建模时只需要建一半容器的一般模型,容器在xy平面内关于y轴对称，。如图1所示。

图1 半个容器的轮廓图

2、网格划分

进行线网格划分，如图2所示。

图2 线网格分布图

在面上创建结构化网格，如图3所示。

图3 面网格图

3、设置边界类型

（1）边X=0为压力入口 （2）边Y=0为对称轴

（3）其他为固壁 如图4所示。

图4 边界类型设置

4、保存rotat.msh文件。

三、利用FLUENT求解器进行求解

1、启动FLUENT求解器，将前处理建立的.msh文件导入到fluent-2d中。

节点数为1271，单元数为1200。进行网格检查，网格体积必须全大于0。长度单位设置为分米。 2、设置求解器

（1）定义轴对称旋转瞬态流动模型。

①在space项选择轴对称旋转流动（axissymmetric swirl）； ②在time项选择非定常流动（unsteady）；

③在velocity formulation选择绝对速度（absolute）；

④在unsteady formulation项选择一阶隐式算法（1st-order implicit），其它选择默认。

（2）设置vof模型

①在model项选择vof；

②在vof scheme项选择显式求解。 ③相得数量设置为2. （3） 设置湍流模型

Model设置为标准的κ-ε模型，其它保持默认。 3、设置流体材料和属性

从材料数据库中复制液态水，作为第二流体。 4、设置基本相和第二相

空气为基本相，水为第二相。 5、设置操作环境

在此处设置x方向的重力加速度为9.81m/s²，如图5所示。并且设置工作流体的密度，保留默认设置即可。

图5 操作环境设置

6、设置边界条件

设置容器顶部的边界条件，如图6、7所示。

图6 压力入口边界条件设置

图7 压力入口边界条件设置

设置容器固壁的边界条件，如图8。

图8 壁面边界条件设置

7、求解。

设置求解控制参数，图9所示。

图9 求解控制参数设置

设置残差监视器 设置监测点

监测点的坐标为（0.75,0.65） 如图10所示。

图10 监视器设置

求解初始化

选择压力入口为初始项。 设置水的初始分布

在迭代计算之前定义好在容器的下部1/3内。水的体积比例为1，并以3rad/s的角速度旋转如图11所示。因此需要为此区域定义一个单元，另外，还需为容器的旋转速度定义一个自定义函数。定义自底部起1/3的区域，最大点的坐标和最小点的坐标分别为（0.66,0）和（1,1）。

图11 匀角速度旋转的速度分布图

显示水的体积比例分布图，如图12所示。

图12 容器内的初始水、气分布图

设置迭代计算时间间隔

设置时间间隔为0.002s，自动保存的时间间隔为100步，设置1000个时间间隔计算。时间间隔为0.002s，在计算t=2s内的流动过程中，fluent会每隔0.2s自动保存一次date文件。其轴向速度随时间的变化过程如图13所示。

图13 监测点轴向速度变化图

从图中可以看出速度波动的周期为1s，波幅显示出下降的趋势。轴向速度

从正值变为负值说明水在容器的边上是上下晃动的，流体质点趋向于一个平衡位置。波幅衰减说明在某一点上会达到这一平衡。 8、计算结果的后处理 绘制水气分布图

分别显示在0.2s、0.4s，0.6s，0.8s，1.0s时容器内的水气分布云图。如图14所示。

（a）0.2s时水气分布云图

（b）0.4s时水气分布云图 （c）0.6s时水气分布云图

（d）0.8s时水气分布云图 （e）1.0s时水气分布云图

图14 容器内的水气分布云图

图14（a）～（e）分别为容器在0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1s时的水气分布云图，从中可以看出水面时随着时间逐渐趋于平衡的。这是因为旋转速度是随着时间而波动并逐渐衰减的，所以水面也会随着速度的减小趋于水平。可以预期后面的计算结果是水面将逐渐趋于平衡，当重力和离心力水平时，水面达到了平衡。

绘制速度矢量图和等流函数云图

分别绘制在各个时间下容器的速度矢量与等流函数云图图，如图15所示。

（a）0.2s时容器速度矢量与等流函数云图（b）0.4s时容器的速度矢量与等流函数云图

（c）0.6s时容器的速度矢量与等流函数云图（d）0.8s时容器的速度矢量与等流函数云图

（e）1.0s时容器的速度矢量与等流函数云图(f)1.2s时容器的速度矢量与等流函数云图

（g）1.4s时容器的速度矢量与等流函数云图(h)1.6s时容器的速度矢量与等流函数云图

（i）1.8s时容器的速度矢量与等流函数云图(g)2.0s时容器的速度矢量与等流函数云图

图15 容器的速度矢量与等流函数云图

图15（a）～（g）是速度矢量和等流函数云图。从图中可以看出，在速度较大时容器底部两侧靠近壁面处水流形成涡流现象。随着速度的减小，涡流逐渐消失，可以预测后面的计算结果是水面将逐渐趋于平衡，当重力和离心力水平时，涡流现象完全消失。等流函数云图显示的是水面上下波动的循环流动。可以看出容器底部的水流循环呈现出逐渐衰弱的趋势，主要也是因为速度的减小导致水流循环的减弱。