拉瓦尔喷管FLUENT模拟.

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1、一 收缩-扩张喷管实例 1.1 问题描述 一 收缩-扩张喷管实例 1.1 问题描述 本节内容主要依托收缩-扩张喷管内的流动计算展开。喷管外形如图 1-1 所 示，A 为沿轴圆形截面面积，喷管的外形尺寸满足如下条件（单位：m）： 2 1 . 0 xA5 . 05 . 0 x 计算求解时可以将模型琪简化为二维轴对称问题，边界条件为：入口压力 Pm=101325Pa,入口总温 Ti0=300K，出口静压 P0=3738.9Pa。 图 1-1喷管几何示意图 1.2 创建几何模型1.2 创建几何模型 （1）设定工作目录 FileChange Working Dir，选择文件存储路径。 （2）创建 Poi

2、nt，如图 1-2 所示。 Step 1Step 1 通过输入坐标的方法创建 P_1、 P_2。 选择 Geometry 标签栏中的， 单击，选择 Create 1 point（创建一个点），输入 P_1 的坐标，单击 Apply 按钮确定，如图 1-3 所示。P_2 创建方法与之相似，坐标为（0.5,0,0）。 Step 2Step 2 创建点集 3。因为横截面积为 2 1 . 0 xA，因此沿 X 轴方向半径的 函数为： 5 . 02 / )1 . 0()(xxR。单击，在 Explicit Locations 下拉菜单中 选择 Create Multiple points，按照如图 1-

3、4 所示输入数据，单击 Apply 按钮 确定。单击 Apply 按钮确定。 图 1-3创建 P_1图 1-4创建点集 3 （3）创建 Curve，如图 1-5 所示。 图 1-5创建 Curve 结果图 Step 1Step 1 选择 Geometry 标签栏，单击创建 Curve。如图 1-6 所示，单击 ，再单击，依次选择点集 3 中的各点连成曲线，创建 C_4。 Step 2Step 2 采用 Step1 的方法创建其余三条 Curve。 （4）定义 Part。 ICEM 中定义 Part 的名称将会是导出网格后边界的名称， 可以简化在求解器 中定义边界条件的过程。同时在非结构化网格生

4、成过程中，合理定义 Part 还便 于定义网格尺寸。 Part 中的元素可以是 Point、 Curve、 Surface， 也可以是 Block 或网格。但任意一个元素，如一条 Curve，只能存在于一个 Part，不能同时存 在于两个不同的 Part。 对于二维问题， 计算边界即为 Curve； 对于三维问题， 计算边界为 Surface。 在该计算实例中，边界条件主要由以下几个构成；入口（IN）；出口（OUT） ； 壁面（WALL）；对称轴（AXIS）。在定义 Part 时也应根据这四个主要的边 界进行定义。 图 1-6创建 Curve 结果图 Step 1Step 1 定义入口的 Pa

5、rt。右击模型树 ModelParts，选择 Create Parts， 如图 1-7 所示。进入到创建 Part 的窗口，如图 1-8 所示。输入想要定义的 Part 名：IN，单击选择几何元素，单击选择 C_1，中键确定，此时 C_1 颜色 将自动改变。 图 1-7进入创建 Part 的操作界面图 1-8创建入口 Part 的操作 Step 2Step 2 采用 Step1Step1 中的方法，依次定义其余的 Part。 定义对称轴 Part 名为 AXIS，选择 C_2。 定义出口 Part 名为 OUT，C_3。 定义壁面 Part 名为 WALL，C_4。 定义 POINT 的 Pa

6、rt 名为 POINT，选择所有的 Point，如图 1-9。 图 1-9仅允许选择 Point 的操作 Step 3Step 3 观察创建 Part 是否正确。创建 Part 完成后，如图 1-10 所示模型树将 会有所变化，Part 目录下新增了创建的 Part。 取消 IN 的显示，查看几何模型上 C_1 是否会消失，若消失，则说明创建 Part 成功，可通过相同的方法检验其余 Part 是否创建成功。 若某个 Part 创建时漏选了线，如 WALL 创建时漏选了 C_4,右击模型树 Model PartWALL,选择 Add to Part,如图 1-11 所示。 与 Step1Ste

7、p1 操作相同， 选择 C_4， 确定即可。 图 1-10 创建 Part 完成后模型树的变化图 1-11Add to Part 的操作 （5）创建 Surface 在二维问题中Surface是必需的， 我们可以这样认为， 二维问题中的Surface 提供了网格数据的一个指针，如果这个指针不存在，求解器就不能读取其他网 格节点的数据。在三维问题中，Surface 的存在必须保证模型的封闭，即无孔、 裂缝等，否则不能成功生成网格。同时在使用多块方法生成结构化网格过程中， 合理创建 Face 到 Surface 的映射可以显著减少工作量，希望读者在后面的学习 中体会。 ICEM 提供多种生成 Su

8、rface 的方法，如根据 Point 或 Curve 创建； 、拉伸 Curve 创建；旋转 Curve 创建；根据多条 Curve 创 建型面；偏执面创建；创建两个面的中面；分割 Surface； 合并 Surface 等。本节主要采用方法创建 Surface。 选择 Geometry 标签栏，单机进入创建面的操作。 Step 1Step 1 创建 Surface。如图 1-12 所示，单击，在 Method 的下拉菜单 中选择 From 2-4 Curve，通过 Curve 创建 Surface。Tolerance 保持为默认值， 单机，依次选择 C_1、C_2、C_3、C_1、C_4，

9、单击中键确定，结果如图 1-13 所示。 图 1-12创建 Surface 图 1-13Surface 创建结果 Step 2Step 2 定义 Surface 的 Part。操作与定义 Curve 的 Part 方法相同，定义 Part 名为 SUR，选择 Step 1Step 1 中创建的 Surface。创建完成后观察模型树 Model Part 的变化，通过取消 SUR 显示的方法观察是否创建成功。 Step 3Step 3 保存几何模型。FileGeometrySave Geometry As，保存当前的 几何模型为 Nozzle.tin。 1.3 定义网格参数1.3 定义网格参数

10、（1）定义全局网格参数。主要是定义网格的全局尺寸，影响壳/面网格、 体网格、棱柱边界层网格的太小。在标签栏中选择 Mesh，单击进入定义网 格全局参数操作。 Step 1Step 1 定义网格全局尺寸。如图 1-14 所示，单击，定义 Scale factor 为 1，勾选 Display 复选框，Max element 值为 0.03，勾选 Display 复选框，其 他选项保持默认值，单击 Apply 按钮。 图 1-14定义网格全局尺寸 Step 2Step 2 定义全局壳网格参数。如图 1-15 所示，单击，定义网格类型为 All Tri，定义网格生成方法为 Patch Depende

11、nt,其他参数保持默认值，单击 Apply 按钮。 图 1-15定义全局壳/面网格参数 （2）定义 Part 的网格尺寸。在不同的 Part 定义不同的网格尺寸。对计算 结果影响较大的区域定义较小的网格尺寸，对计算结果影响较小的区域可以定 义较大的网格尺寸。这样既可以保证计算精度，同时又可以减小网格规模，提 高数值计算效率。在标签栏中选择 Mesh,单击进入定义 Part 网格尺寸操作。 如图 1-16 所示，勾选 Apply inflation parameters to curves 复选框， 允许生成二维边界层网格。定义 SUR 的网格参数，Max Size=0.02；定义 WALL 的

12、网格参数：单击 Prism，Max Size=0.02，Height Ratio=1.2，Num Layers=5， 单击 Apply 按钮确定。 图 1-16定义 Part 网格尺寸 1.4 生成网格1.4 生成网格 Step 1Step 1 生成网格。选择标签栏中的 Mesh，单击。如图 1-17 所示，在 弹出的数据输入窗口中单击，其余参数设定保持为默认，单击 Compute 按 钮生成网格，如图 1-18 所示。 图 1-17生成壳/面网格 图 1-18生成网格示意图 观察生成的网格，发现在图 1-18 所示的两个角点处没有生成理想的边界层 网格。分析该网格形状可知，是由于 C_1 和

13、 C_3 上节点分布不合理造成的。下 面将调整两条 Curve 上的节点分布。 Step 2Step 2 调整网格。取消模型树 ModelMesh 的勾选，隐藏 Mesh，采用类似 的操作隐藏 Point、Surface 和 Body，仅显示 Curve，便于观察操作。如图 1-19 所示，右击 ModelGeometryCurve，在弹出的对话框中选择 Curve Node Spacing 和 Curve Element Spacing,显示 Curve 上的节点数和节点分布情况， 显示结果如图 1-20 所示。 图 1-19显示 Curve 的节点分布情况 图 1-20初始节点分布情况显示

14、 观察图 1-20， 定义了网格参数的 C_4 有明确的网格节点数和网格分布情况。 其他的 Curve 的节点分布不明确，按照 Surface 的网格尺寸自由分析，这就导 致了 C_1 和 C_3 上节点分布不合理。 选择 Mesh 标签栏，单击，定义具体 Curve 的网格尺寸。在图 1-21 所示 的数据输出窗口中，在 Method 下拉菜单中选择 General；单击选择 C_1，定 义 Number of nodes=34，即节点数为 34，单击 Apply 按钮，观察节点分布情况； 在 Bunching 下拉菜单中选择 BioGeometric，勾选 Curve Direction

15、复选框，定 义 Spacing1=0.005，Ratio1=1.4，单击 Apply 按钮确定，完成对 C_1 网格参数 的定义。采用同样的参数定义 C_3 的网格尺寸。此时，节点分布情况如图 1-22 所示。 图 1-21定义 C_1 的网格尺寸 图 1-22定义完成后的节点分布情况 采用 Step 1Step 1 的操作再次生成网格，如图 1-23 所示。 图 1-23修改后的网格示意图 Step 3Step 3 检查网格质量。选择 Edit Mesh 标签栏，单击，如图 1-24 所示， 在 Mesh type to check 栏中选择 TRI_3 和 QUAD_4，检查三角形和四边形

16、网格单 元；在 Element to check 中选择 All，检查所有的网格单元，在 Criterion 下 拉菜单中选择 Quality 作为质量好坏的评判标准，单击 Apply 按钮确定，网格 质量如图 1-25 所示。 图 1-24检查网格质量的操作 图 1-25网格质量 1.5 导出网格1.5 导出网格 Step 1Step 1 FileMeshSave Mesh As，保存当前的网格文件为 Nozzle.uns。 Step 2Step 2 在标签栏中选择 Output，单击选择求解器。本书中将以 FLUENT 作为求解器讲解，因此在弹出对话框中的 Output Solver 下拉菜单中选择 ANSYS Fluent，单击 Apply 按钮确定，如图 1-26 所示。 Step 3Step 3 在 ICEM 中还可以定义计算边界条件类型，在标签栏中选择 Output， 单击即可进行。但是该操作仅能定义边界条件的类型，而不能定义具体的数 值，如速度入口的速度值和方向等，因此笔者建议在求解器中定义边界条件。 图 1-26选择求解器 Step 4St