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1、. . 第一章 一维稳态导热的数值模拟一、模拟实验目的和容本模拟实验的目的主要有3个：（1）学生初步了解并掌握Fluent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。（2）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。（3）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。实验容主要包括：（1）模拟一维稳态导热平板的温度分布。（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1-1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
2、作为一维问题进行处理。需要求解平板的温度分布以与整个稳态传热过程的传热量。三、实例操作步骤1. 利用Gambit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C:Fluent.Incntbinntx86下打开gambit文件（双击后稍等片刻），其窗口布局如图1-2所示。图1-2 Gambit窗口的布局然后是建立新文件，操作为选择FileNew打开入图1-3所示的对话框。图1-3 建立新文件在ID文本框中输入onedim作为文件名，然后单击Accept按纽，在随后显示的图1-4对话框中单击Yes按纽保存。图1-4 确认保存对话框步骤2：创建几何图形选择Opera
3、tionGeometryFace ，打开图1-5所示的对话框。图1-5 创建面的对话框在Width输入30，在Height中输入1，在Direction下选择+X+Y坐标系，然后单击Apply，并在Global Control下点击 ，则出现图1-6所示的几何图形。图1-6 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OperationMeshEdge，打开图1-7所示的对话框。图1-7 边网格划分对话框在Edges后面的黄色对话框中选中edge.1和edge.3。也可以采用Shift鼠标左键的方法选中edge.1
4、和edge.3。然后在Spacing中选择Interval count，在其左边的对话框中输入100，即将这两个边各划分成100个等份。最后点击Apply确认。则出现图1-8所示的边网格划分。图1-8 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.2和edge.4的Spacing对应的数值为10，注意Spacing的类型仍然为Interval count，可以得到如图1-9所示面上各边的网格划分。图1-9 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Operatio
5、nMeshFace ，打开图1-10所示的对话框。图1-10 面网格划分对话框在Faces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的类型为Interval size，它左边的默认值为1。点击Apply确认可以看到图1-11所示的面网格划分情况。图1-11 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SolveFluent5/6，选择之后Gambit布局窗口标题栏中的Solve:Generic将变成Solve: Fluent5/6
6、。选择OperationZone，打开图1-12所示的对话框,指定边界条件的类型。图1-12 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Name右边的白色框中输入heat，选择Entity下面的类型为Edges，然后在Edges右边的黄色对话框中选择热源对应的边edge.3，点击Apply之后就将edge3定义成了热源。用同样的方法可以将下边定义成冷源cold。左右两条边可以不需要定义，保持Gambit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1-13 热源和冷源边界条件的指定步骤5：指定计算区域的类型Gambit默认的计算区域的类型为流体，而这里墙体部的材
7、料为固体，因此需要设置。设置方法为：选择OperationZone，打开如图1-14所示窗口，选择Type为Solid，选择Entity为Faces，并在Faces右边的黄色对话框中选择面face.1，然后点击应用，即将计算区域的类型指定为固体区域。图1-14 指定计算区域的类型步骤6：网格文件的输出选择FileExportMesh打开输出文件的对话框，如图1-15所示。图1-15 输出文件对话框注意只有选择了Export 2-D(X-Y) Mesh选项之后才能输出为.msh文件。点击Accept之后，窗口下面的Transcript出现Mesh was successfully written
8、 to onedim.msh，表示网格文件输出成功。2. 利用Fluent求解器进行求解利用Gambit软件绘制出几何图形、划分网格、指定边界类型以与输出Mesh文件，然后用Fluent将网格文件导入，便可以对其进行数值求解。步骤1：网格文件的读入、检查与显示启动Fluent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Fluent后出现下面的窗口，在Versions中选择2d，点击Run按钮即可。（1）网格文件的读入选择FileReadCase在C:Fluent.Incntbinntx86下找到onedim.msh文件并将其读入，如图1-16所示。图1-16 导入网格文件（2）检查
9、网格文件选择GridCheck对网格文件进行检查，这里要注意最小的网格体积（minimum volume）值一定要大于0。（3）显示网格选择DisplayGrid，出现网格显示对话框，如图1-17所示。图1-17 网格显示对话框网格文件的各个部分的显示可以通过Surfaces下面列表框中某个部分是否选中来控制。如图1-17所示的Surfaces下面列表框中的都被选中，此时单击Display，就会看到如图1-18所示的网格形状。图1-18 Fluent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DefineModelsEnergy，然后在出现的如图1-19所示的
10、对话框中选中Energy Equation,单击OK即完成了方程的选择。图1-19 能量方程的选择对话框步骤3：定义固体的物理性质选择DefineMaterials, 打开如图1-20所示窗口，在Material Type选项中选择solid，Fluent默认的固体材料为铝aluminum，我们假定平板的材料为铝，材料的属性取默认值，点击Change/Create按钮，再点击Close即可。图1-20 固体材料的属性步骤4：设置边界条件选择DefineBoundary Conditions，对计算区域的边界条件进行具体设置。对热源heat的边界类型wall点击set，出现图1-21所示的对话框
11、，将默认的Thermal Condition下的heat Flux改为第一类边界条件Temperature，在Temperature右边的白色文本框输入310。用同样的方法对冷源进行设置，其温度为300。即热源和冷源的温度差为10K。图1-21 边界条件的设定步骤5：求解设置（1）初始化选择SolveInitializeInitialize，打开如图1-22所示的对话框。依次点击Init、Apply和Close按钮。图1-22 初始化对话框（2）残差设置选择SolveMonitorsResidual，打开如图1-23所示的对话框。选择Options下面的Plot复选项，则可在计算时动态地显示计
12、算残差。并将energy右边的残差设定为1e-08，然后点击OK按钮。图1-23 残差设置对话框（3）迭代计算选择SolveIterate，打开如图1-24所示的对话框。设置Number of Iterations 为200。然后单击Iterate按钮，就会显示图1-25所示的计算过程。图1-24 迭代设置对话框 图1-25 迭代求解过程步骤6：保存结果选择FileWriteCase & 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）平板部的温度分布；（2）平板部的温度梯度；（3）平板总的传热量。（1）平板
13、的温度分布选择DisplayContours，出现图1-26所示的对话框，在Contours of 下选择Temperature 和Static Temperature，单击Display出现一个窗口，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 - Mouse Button来打开Mouse Buttons（鼠标按键）面板进行设定。），即可得到如图1-27a所示的温度分布。在Contours窗口中选中Options中的Filled，可以得到如图1-27b所示的温度分布云图。图1-26 等温线对话框图1-27a 平板的等温线分布（局部放大）图1-27b 平板的温
14、度分布云图从图1-27a可以得到，等温线在平板部为水平分层，等温线均与壁面平行。符合一维导热定律的理论结果。（2）平板的温度梯度 Fluent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Fluent里按回车键，然后输入solve回车，接着输入set回车，接着输入expert回车，在接下来出现的询问语句keep temporary sover memory from being freed?后面输入Yes。然后重复“利用Fluent求解器进行求解”中步骤5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DisplayContours，出现图1-28所示的对话框，在Cont
15、ours of 下选择Temperature 和Reconsruction dT/dY，单击Compute，即可得到温度梯度的最小值为9.998277，最大值为10.0016，即温度梯度的值为10，与理论结果完全一致。图1-28 平板的温度梯度（3）平板的总传热量选择ReportFluxes，打开图1-29所示对话框，在Options下选择Total Heat Transfer Rate， 图1-29 平板的总传热量Boundaries下选择heat，然后单击Compute即可得到平板的总热流量为60726.6W。根据傅立叶导热定律计算的理论结果为60720W，相对误差为0.01%，说明结果正确。Fluent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：Page Setup、Print与Copy to Clipboard，选择Page Setup，出现如以下图所示窗口。按照上面窗口的设置完成后点击OK
