流体与传热数值计算大作业.docx

1.研究对象：冷、热水换热器
问题描述：一个冷、热水混合器的内部流动与
热量交换问题。温度为T=350k的热水自上部的热水
小管嘴流入，与自下部右侧小管嘴流入的温度为290k
的冷水在混合器内部混合进行热量与动量交换后，自
下部左侧小管嘴流出。混合器结构如下图1-1所示。
输入条件：
热水温度Tr=350K,热水入口速度vr=10m/s;
冷水温度Tl=290K,冷水入口速度vl=10m/s;图1.1换热器简图

2.利用GAMBIT建立计算模型
2.1创建混合器网格图
打开gambit，选择fluent5/6求解器，首先在工
作区建立20*20的网格，再根据模型的几何尺寸要求
，确定出不同类型边界的交点及圆弧中心点。再由节
点逐步建立出混合器的壁面及各个小管嘴，最终建成
各个面，从而生成换热器的几何模型。
打开“meshedges”,选取边线，对各个线的内
部节点进行重新剖分。在“edges”选中取边界线LA,
CD,FG,GH,KL,在“intervalcount”中填入15，将各条
边分成15份。同样操作，其它边分成5分。完成上
述工作后，可查看网格划分情况，如图2.1所示：图2-1换热器网格图
2.2设置边界类型
如图1.1所示，这个换热器的边界主要
就是入口边界与出口边界需要设置，入口边
界有冷水入口ST与热水入口UV，出口边界
只有冷热水混合后出流口PQ，因此打开
”ZONES”中“SpecifyBoundaryType”对话框，
在“Action”项选add,创建名称“inlet1”，并
选择“velcocityinlet”类型，最后选取边界线
ST，点击Apply,这样就设置了ST的边界类型，
类似的操作，可设置边界UV和PQ的边界类
型分别为“inlet2”“outlet”。设置结果如图
2.2所示：图2.2边界类型设置对话框
至此保存，并选择File/Export/Mesh命令，选中Export2DMesh输出mixowwang.msh文件，该文件可直接有Fluent读入。

3.换热器内部流动与换热的仿真计算
3.1对网格进行处理
1）以二维单精度方式启动Fluent，读入网格文件mixowwang.msh，这样就完成了网格文件的输入操作。
2）选择Grid中Check,对网格进行检查，网格检查列出了x,y的最小值和最大值，也报告出了网格的其它特性，如单元的最大体积，最小体积，最大面积与最小面积等，同时网格检查还会报告有关网格的任何错误，若存在错误，fluent将无法进行计算。
3）平滑网格。对网格进行平滑操作，可进一步确保网格质量。
4）确定长度的单位。由于进入Fluent后，其默认的长度单位是m，而在Gambit下构建网格时使用的是cm，所以要在Grid中的Scale中将网格的长度单位改为cm。
3.2设置求解模型
选择非耦合（Segragated）求解法，并使用隐式算法（Implicit）,空间属性显然是二维，由于流体在换热器内的流动情况可以按稳态问题处理，所以时间属性为定常流动（Steady）。采用绝对速度公式。
冷水与热水在换热器内混合形成湍流，计算时应当设置为湍流模型，这里选择k-ξ湍流模型。k-ξ双方程模型适合绝大多数的工程湍流模型，其中k为湍动能，定义为速度波动的变化量，其单位是m2/s2。ξ为湍动能耗散，即指速度波动耗散的速度，其单位是单位时间的湍动能，m2/s3。
其控制方程如下：
连续方程：

动量方程：

湍动能方程：

湍动能耗散方程：

并选择能量方程：
∂∂tρE+∂∂xiuiρE+p=∂∂xikeff∂T∂xi-j'hj'Jj'+ujτijeff+Sh
连续方程：

动量方程：
∂∂tρUi+∂∂xjρuiuj=-∂p∂xi+∂τij∂cj+ρgi+Fi
其中τij=μ∂ui∂xj+∂uj∂xi-23μ∂ul∂xlδij
定解条件：
将边界条件（两个入口温度与流速）在fluent中设置好了以后，对流场进行初始化，热水入口（inlet2）开始，对内部流动设置出一个猜测的初始值，然后进行迭代计算，如果迭代收敛，则表明定解，如果发散，则没有定解。
3.3设置流体物理属性及边界条件
1）创建新流体，取名为water。并在属性栏内输入流体的各项物理参数：Density(密度)：1000；Cp（等压比热）：4216；ThermalConductivity（导热系数）：0.667；Viscosity（动力粘度）：8e-4。点击Change/Create，在弹出的对话框中选No，这就使名为water的流体添加到材料选择列表中。
2）设置边界条件。
1、设置流体。打开“BoundaryConditions”，在区域标识栏（zone）中选择流体（fluid）,设置（set）,并在Materia