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1、目录摘要1 引言2 利用 Solidworks 建立计算模型2.1 SolidWorks 软件简介2.2 零件特征建模2.3 容器内部计算模型3 利用 GAMBIT 对计算模型进行网格划分3.1 GAMBIT 软件简介3.2 对求解模型进行网格划分3.3 设置边界类型3.4 输出网格文件并保存会话4 利用 FLUENT 3D 求解器进行求解4.1 FLUENT 软件简介4.2 控制方程和数值模拟4.3 计算结果的后处理结论致谢参考文献 不同工况下液体在某型号容器内的流动特性分析作者： 指导老师： （）摘要：在日常生活中随处都能见到各种各样的容器，大至实验用的各种巨型专用容器，小至日常生活中接触
2、到的水杯、饮料瓶等，容器的使用使得我们的生活越来便利，可以说我们现在的生活已经离不开容器。当容器内存入一定量的液体后，在一定的条件下容器内的液体会以一定的方式有规律的运动。由于使用实验的方法成本较高并且工作量很大，有时候计算结果也不是很准确，所以本文是借助计算机软件对在旋转物体中的三维湍流流动进行形象直观的分析。涉及到使用非耦合的求解器解决带有自由表面的额瞬态流动、重力模型的应用、在区域的子集中修补初始条件、定义一个函数、使用速度矢量和体积比例曲线察看流体的流动和自由表面形状等一系列的方法。关键词：容器 FLUENT 流动特性1 引言自从 1687 年牛顿定律公布以来，直到本世纪 50 年代初
3、，研究流体运动规律的主要方法有两种：一是实验研究，以实验为研究手段；另一种是理论分析方法，利用简单流体模型假设，给出某些问题的解析解。前者耗资巨大，而后者对于较复杂的非线性流动现象目前还有些无能为力。20 世纪 70 年代以来，飞速发展起来的计算流体力学为实验研究和理论研究都起到了促进作用，也为简化流动模型提供了更多的依据，使很多分析方法得到发展和完善。实验研究、理论分析方法和数值模拟已经成为当前研究流体运动规律的三种基本方法。任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为基础的。这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、N-S 方程。采用数值计算方法，通过计算机求解这
4、些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的运动规律，这样的学科就是计算流体力学。尽管流动规律仍然满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，但是流体力学不同于固体力学，一个根本原因就是在于流体的流动过程中发生了巨大的形变，是的问题求解变得异常复杂。其控制方程属于非线性的偏微分方程，除了几个简单问题以外，一般来说很难求得解析解。为此，对具体问题进行数值求解就成为研究流体流动的一个重要的研究方向和方法，其基础就是计算流体力学。对于大多数人来说，不必要掌握流体力学微分方程的求解以及计算流体力学的深入研究，但在工作中又需要对某些具体的流动过程进行分析、计算和研究，由此计算准确、界面友好、使用简单，又能
5、解决问题的大型商业计算机软件应运而生。目前，比较著名的有 FLUENT,CFX,STAR-CD 等，本次设计计算主要使用 FLUENT 软件。2 利用 SolidWorks建立计算模型2.1 SolidWorks软件简介SolidWorks功能强大、组件繁多，是与UG、Pro/ENGINEER、CATIA等齐名的世界著名三位设计软件之一。它在航空航天、汽车、机械、模具和家用电器等工业领域的应用非常广泛。易学易用、功能强大、性能卓越是其最大优点。它具有基于特征、参数化和实体造型等特点整个设计基于装配关系进行，装配的基础要素是相关的零件，零件由若干参数化的可以基于装配关系的特征堆砌而成，特征是与机
6、械设计的表达意图相关的一些简单几何形体，这些几何形体的基础是参数化的、可以基于装配关系的二维或三维草图，而草图又是一些简单的图线，可以用几何关系、装配关系和驱动尺寸加以约束。SolidWorks 是基于 Windows 平台开发的其操作界面大量吸收了 Windows 界面的优点。其首创的特征管理员，能够将设计过程中的每步记录下来，并形成特征管理树，置在屏幕左侧。设计师可以随时点取任意特征进行修改，还可以随时调整特征树的顺序，以改变零件形状。2.2 零件特征建模零件是 SolidWorks 系统中最主要的对象。传统的 CAD 设计方法是由平面（二维）到立体（三维） ，而在 SolidWorks
7、系统中却是工程师直接设计出三维实体零件，然后根据需要生成相关的工程图。在 Solid Works 系统中，零件、装配体和工程图都属于对象，零件设计是核心，特征设计是关键，草图设计是基础。建模在虚拟产品开发过程中发挥着重要作用，同时基于特征的实体建模技术已成为虚拟设计创建产品零件实体模型的基础。据研究表明零件实体建模的质量自 80 年代以来被公认为是解决产品开发与过程设计信息集成问题的有效而实用的手段。零件是由特征组成的单一三维物体。在SolidWorks中，特征是各种单独的加工形状，当将它们组合起来即形成各种零件。无论创建多么复杂的零件三维实体模型，其基本原理都是一致的，其基本原理主要包括：（
8、1） 绘制二维草图；（2） 使用拉伸、旋转、扫描和放样等方法创建基础三维实体特征；（3） 在基础三维实体特征上再创建圆角、倒角、拔模、孔、壳等放置特征；（4） 依次完成所有零件的建模后，接着就是组件的装配，最后是整机的装配工作。在零件的建模过程中，不是一次就完成零件的建模，实际上这是一个需要反复修改设计结果的过程。在实体建模完成后仍可以返回编辑和修改二维草图，实体模型会根据修改自动重建。2.2.1 容器建模由于本次论文主要对容器内部液体进行研究，故只对容器建模做论述（1） 打开 solidworks，新建零件图，绘制草图 1（2） 通过旋转特征操作得到该容器的三维图形图 1 容器旋转特征操作草
9、图 1 图 2 该容器的三维图形2.2.2 容器二维图此处的二维图在 Solidworks 中即为工程图，工程图的基础是将三维模型按正投影的方法投影到平面上，形成基本的三视图以及其他派生视图。该容器工程图如下图 3 所示：图 3 容器零件图2.3 容器内部计算模型由于 Solidworks 所作出的三维实体不能直接导入到 GAMBIT 里进行网格划分，所以应将容器内的计算模型另存为.x-t 格式方便导入 GAMBIT。容器内部的计算模型建模和容器建模过程相同，此处不再详述。图 4 容器内部计算模型旋转特征草图 图 5 计算模型 3 利用 GAMBIT对计算模型进行网格划分3.1 GAMBIT软
10、件简介GAMBIT 是 fluent 公司推出的一款网格生成软件（相对于计算结果的后处理，也有人习惯于把网格生成软件称为前处理软件） ，其主要功能包括几何建模和网格生成。可以导入 PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN 等大多数CAD/CAE 软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证 GAMBIT 与 CAD 软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量GAMBIT 可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格，并且可为FLUENT、POLYFLOW、
11、FIDAP、ANSYS 等解算器生成和导出所需要的网格和格式。并且具有强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度3.2 对求解模型进行网格划分3.2.1 将求解模型导入 GAMBIT（1）启动 GAMBIT 并选择 FLUENT5/6 求解器（2）通过 FILE-Import 将 Solidworks 创建的求解模型导入到 GAMBIT 内图 6 导入到 gambit 的计算模型3.2.2 对导入的求解模型进行网格划分GAMBIT 具有强大的网
12、格划分能力，可以划分包括边界层等 CFD 特殊要求的高质量网格。GAMBIT 中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格。在网格划分中分网的工作量大，需要考虑的问题多，网格形式直接影响结果精度和模型规模，因此分网是建模过程中最为关键的环节。划分网格一般应考虑以下一些原则：（1）网格数量。网格数量的多少直接影响结果精度和计算规模。网格数量增加，结果一般会随之提高。网格数量增加，一般增加单元形成时间、求解方程时间、网格划分时间。（2）网格疏密。是指结构不同部位采用不同大小的网格，采用不同的网格划分时，应注意疏密网格间的过渡。（3）单元阶次。很多单元
13、都有低阶和高阶形式，采用高阶单元的目的为提高精度，单高阶单元的节点较多，使用时应权衡精度和规模综合考虑。（4）网格质量。是指网格几何形状的合理性。（5）位移协调性。应注意：一个单元的节点必须同时是相邻单元的节点，而不是内殿或边界点。相邻单元的节点自由度性质不同时，一个单元上的力矩不能通过节点传递到另一个单元。（6）网格布局。当结构形状对称时，划分的网格应尽量具有形式的对称性，以使结构在个对称点上表现出相同特性。动态分析时，即使结构形状是对称的，但不对称的网格布局也会导致质量不对称。（7）节点与单元编号。分网时需对节点和单元进行编号，不同的编号方式也将影响数值计算的时间和所存储容量。合理的编号能
14、够大幅度减小计算时间和存储容量。对该求解模型进行网格划分时网格划分参数设定如下图 7 所示：type 项选择TGrid（由面生成体网格） ，spacing 项考虑到求解模型的尺寸和后面使用FLUENT 软件进行迭代计算设置为 80。网格划分完成后应对所划分的网格质量进行检测。图 7 网格划分设置对话框 图 8 划分完成的网格3.3 设置边界类型边界类型设定确定了模型中那些代表模型边界的拓扑结构实体的物理特性和操作特性。本文要分析的是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 充满了水，水的上部为空气。容器以角速度 3rad/s 匀角速度旋转，定义一个 Vz=3r 的外部条件，利用 FLUENT-3D 求解器计算容器内部的水流情况以及自由表面形状的变化过程。定义模型的开口处为 inlet，type 项选择 pressure-inlet，模型的周边和底面定义为 wall，type 项选择 wall。如下图： 图 9 显示属性设置对话框 图 10 边界类型设置对话框3.4 输出网格文件并保存会话该模型在 GAMBIT 里网格划分完毕后，应输出.msh 文件方便使用 FLUENT 软件进行特性分析。同时对 GAMBIT 网格划分结果保存。图 11 网格文件输出对话框图 12 保存会
