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1、第一章 一维稳态导热的数值模拟一、模拟实验目的和内容本模拟实验的目的主要有3个：(1)学生初步了解并掌握Fuent求解问题的一般过程,主要包括前处理、计算、后处理三个部分。（）理解计算机求解问题的原理,即通过对系统进行离散化，从而求解代数方程组，求得整个系统区域的场分布。（)模拟系统总的传热量并与傅立叶导热定律的求解结果相比较,验证数值模拟的可靠性。实验内容主要包括：(）模拟一维稳态导热平板内的温度分布.（2)模拟一维稳态导热总的传热量。二、实例简介图1-1 导热计算区域示意图如图1所示,平板的长宽度远远大于它的厚度，平板的上部保持高温,平板的下部保持低温。平板的长高比为30，可作为一维问题进
2、行处理。需要求解平板内的温度分布以及整个稳态传热过程的传热量。三、实例操作步骤1.利用amb对计算区域离散化和指定边界条件类型步骤1：启动Gambit软件并建立新文件在路径:Flent.Incnint86下打开gambit文件(双击后稍等片刻）,其窗口布局如图12所示。图-2 Gambi窗口的布局然后是建立新文件，操作为选择打开入图1所示的对话框。图13 建立新文件在ID文本框中输入nei作为文件名,然后单击Act按纽，在随后显示的图1-对话框中单击Yes按纽保存。图1 确认保存对话框步骤2：创建几何图形选择OpeatinGomeryFace ,打开图15所示的对话框.图15创建面的对话框 在
3、Widh内输入30,在Height中输入，在Dton下选择X+坐标系，然后单击Appl，并在Global Ctrl下点击,则出现图1-6所示的几何图形.图16 几何图形的显示步骤3:网格划分(1）边的网格划分 当几何区域确定之后,接下来就需要对几何区域进行离散化,即进行网格划分。选择OpratiMeshdg，打开图1-所示的对话框。 图7边网格划分对话框在Edg后面的黄色对话框中选中edge。1和de。也可以采用Shift鼠标左键的方法选中edge1和e.然后在Spcin中选择Intervacunt,在其左边的对话框中输入00，即将这两个边各划分成10个等份。最后点击Apl确认。则出现图-8所
4、示的边网格划分.图18 上下边网格的划分 采用同样的方法对面的其它边进行网格划分,设定edge。和dge。的Sacng对应的数值为0，注意Spacig的类型仍然为Itera count,可以得到如图19所示面上各边的网格划分.图1- 各边的网格划分（2)面的网格划分对边进行网格划分实际上是对计算区域的边界进行离散化,计算区域的内部同样需要进行离散化，需要对计算区域进行面网格划分。选择OatnMeshac，打开图10所示的对话框.图110 面网格划分对话框在ces后面的黄色框中选中face.1,选中之后，可以看到面上的边均变成红色，表示选择成功。对话框中的其它选项均保持默认值，此时Spacing
5、的类型为nervasie，它左边的默认值为1。点击Apy确认可以看到图111所示的面网格划分情况。图1-1面的网格划分步骤4:边界条件类型的指定在指定边界条件之前，需要选定一个求解器，因为不同求解器的边界类型不一样。这里选择lveFluet5,选择之后ambit布局窗口标题栏中的olve：enri将变成Solv： Fluent5/6。选择patoZone，打开图11所示的对话框,指定边界条件的类型.图112边界条件指定对话框首先指定面的上边为热源。具体操作为在Nme右边的白色框中输入het，选择Enty下面的类型为Ege,然后在dge右边的黄色对话框中选择热源对应的边edge。3,点击Aply
6、之后就将ee3定义成了热源。用同样的方法可以将下边定义成冷源old。左右两条边可以不需要定义，保持amb默认即可。都定义完之后，可以得到图1-13的边界名称和边界类型。图113 热源和冷源边界条件的指定步骤：指定计算区域的类型Gambit默认的计算区域的类型为流体，而这里墙体内部的材料为固体，因此需要设置。设置方法为:选择OperationZo，打开如图14所示窗口,选择Type为Slid，选择Entity为Faces，并在ace右边的黄色对话框中选择面fae.1,然后点击应用，即将计算区域的类型指定为固体区域。图14 指定计算区域的类型步骤：网格文件的输出选择Ms打开输出文件的对话框，如图5
7、所示。图1-15 输出文件对话框注意只有选择了Expor 2D（XY) Mesh选项之后才能输出为.msh文件.点击Apt之后,窗口下面的Transript内出现s ws successuly writtetoonedm.msh,表示网格文件输出成功。2. 利用Fuent求解器进行求解利用Gambt软件绘制出几何图形、划分网格、指定边界类型以及输出es文件,然后用Fuent将网格文件导入，便可以对其进行数值求解。步骤：网格文件的读入、检查及显示启动Flent的2D求解器之后，首先需要对网格文件进行读入并检查.启动Fluet后出现下面的窗口，在esion中选择2，点击R按钮即可。（1）网格文件的
8、读入选择Cse在C：FIncnbitx8下找到oneim.msh文件并将其读入，如图1-16所示。图16导入网格文件（2)检查网格文件选择GridCek对网格文件进行检查,这里要注意最小的网格体积(mnimm vol）值一定要大于0.（3)显示网格选择ipayGrd,出现网格显示对话框，如图117所示.图117网格显示对话框网格文件的各个部分的显示可以通过urace下面列表框中某个部分是否选中来控制。如图1所示的Surfcs下面列表框中的都被选中，此时单击Display,就会看到如图1所示的网格形状.图18 Flet中的网格显示步骤2：选择计算模型一维导热模型的控制方程只有能量方程,只需要选择
9、DefineMoelsEnergy,然后在出现的如图1所示的对话框中选中Erg Eqution,单击OK即完成了方程的选择。图9 能量方程的选择对话框步骤3:定义固体的物理性质选择ineMaerias， 打开如图1-20所示窗口,在Maerial T选项中选择sid，Fluen默认的固体材料为铝lumnm，我们假定平板的材料为铝,材料的属性取默认值，点击Chan/Ceate按钮,再点击lose即可。图20 固体材料的属性步骤:设置边界条件选择Deieunday onitions，对计算区域的边界条件进行具体设置。对热源het的边界类型al点击se,出现图1-21所示的对话框，将默认的Therm
10、londion下的hetFlu改为第一类边界条件eperatue,在eperatre右边的白色文本框内输入3。用同样的方法对冷源进行设置，其温度为30。即热源和冷源的温度差为1K。图-1边界条件的设定步骤5：求解设置(1)初始化选择SveIiilizeItialie，打开如图1-22所示的对话框。依次点击Init、Aply和los按钮.图122 初始化对话框（）残差设置选择Soleitoresidl,打开如图23所示的对话框.选择Optons下面的Plo复选项，则可在计算时动态地显示计算残差。并将eergy右边的残差设定为108，然后点击O按钮.图1-23 残差设置对话框(3）迭代计算选择So
11、lveItere，打开如图24所示的对话框。设置mber fteratons为20.然后单击terate按钮,就会显示图1-25所示的计算过程。 图24 迭代设置对话框 图12 迭代求解过程步骤6：保存结果选择Ce Data，保存所有的设置和所有的数据。四、模拟实验结果经过上面的迭代计算，就可以查看模拟计算的结果.模拟结果的主要包括三个方面:（1）平板内部的温度分布；（2）平板内部的温度梯度;（3）平板总的传热量。（1）平板的温度分布选择DisplayCnturs,出现图-2所示的对话框，在Coturof下选择Tmperatur 和Sttic Teprture,单击Display出现一个窗口，
12、按住鼠标中间向右拖动将等温度图适当放大(图形的缩放、移动可以通过Display Moe uto来打开Mouse uttons（鼠标按键）面板进行设定.），即可得到如图12所示的温度分布。在ontou窗口中选中Opions中的Filed，可以得到如图7b所示的温度分布云图。图12 等温线对话框图17平板内的等温线分布(局部放大)图1b 平板内的温度分布云图从图127a可以得到，等温线在平板内部为水平分层，等温线均与壁面平行。符合一维导热定律的理论结果.(）平板的温度梯度 Fluet本身的计算结果不包含温度梯度，为了得到温度梯度的值，需要在Flent里按回车键，然后输入olv回车，接着输入t回车,
13、接着输入expert回车，在接下来出现的询问语句kep temporarysvr meory frombeing feed？后面输入Ye.然后重复“利用luet求解器进行求解中步骤的初始化和迭代计算，就能得到温度梯度的分布.具体操作为选择DisayContours,出现图28所示的对话框,在Coours o 下选择Tmpratre 和Recsruction d/，单击Compt，即可得到温度梯度的最小值为9。998277,最大值为100016，即温度梯度的值为10,与理论结果完全一致。图1-8 平板内的温度梯度(3）平板的总传热量选择RertFluxes，打开图129所示对话框，在Options下选择oa Ha Transfer Rate， 图1-9平板的总传热量odaris下选择heat，然后单击Compue即可得到平板的总热流量为6066W.根据傅立叶导热定律计算的理论结果为6070W，相对误差为0。01，表明结果正确。Fuen保存和编辑图形的方法：左键(或右键）点击显示窗口左上角的图标，点开后最下面有三个选项：ag Seup、Pnt及Coy to lipord,选择PagSetup,出现如下图所示窗口。按照上面窗口的设置完成后点击OK,再选择opy Clpbord，再到WORD中粘贴，即可得到彩色白底图形。在Page S
