CFD模拟中的边界条件设置步骤详解

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：2）打开CFX前处理CFX-Pre14.5，如图4-3-1所示。图4.3-10 流动模型图4.3-11 流动双模型图4.3-12 叶轮域中固体信息图4.3-13 叶轮域中液体信息图4.3-14 边界命名图4.3-15 基本设置4）边界信息中，“Massand Momentum”选择：Normal Speed，而指定Normal Speed为3.743[ms^-1]，该速度是由流量和叶轮进口直径得到，如图4.3-16所示。图4.3-16 进口速度图4.3-17 固体和液体的体积分数5.设定出口边界条件1）在任务栏中单击。图4.3-18 边界命名图4.3-19 基本设定图4.3-20 出口边界设置6.交界面设置1）在任务栏中单击。

1.将网格文件导入CFX前处理

1）打开CFX软件。在开始按钮中选择【所有程序】→【ANSYS14.5】→【Fluid Dynamics】→【CFX14.5】。

2）打开CFX前处理CFX-Pre14.5，如图4-3-1所示。“Working Directory”工作目录注意不要包含中文路径，单击【CFX-Pre14.5】。

图4.3-1 打开前处理

3）在菜单栏中选择【File】→【New Case】→【General】，单击【OK】。

4）右键单击Mesh，【Import Mesh】→【ICEM CFD】，选择网格文件，注意“Import Mesh”对话框中，“Mesh Units”选择mm；单击【open】，如图4.3-2所示。

图4.3-2 导入网格

2.域前设定

在任务栏中，单击“Material”，指定名称，“Name”输入sand，单击【OK】，如图4.3-3所示。

1）双击打开“sand”，在基本设定“Basic Settings”对话框中，“Option”选择Pure Substance；“Material Group”选择User；勾选“Thermodynamic State”，在“Thermodynamic State”中选择Solid，如图4.3-4所示。

2）物质属性设定。热力学属性中指定“Molar Mass”为92.14[kgkmol^-1]；“Density”指定为2300[kgm^-3]；勾选“Speciﬁc Heat Capacity”，并指定为0；勾选“Reference State”，“Reference State＞Option”选择Speciﬁed Point；勾选“Dynamic Viscosity”并指定为0，其他默认，单击【OK】，如图4.3-5所示。

图4.3-3 域命名

图4.3-4 基本设定

图4.3-5 物质属性

3.生成域

1）在任务栏中，单击【Domain】生成域。

2）指定名称。在弹出的域命名窗口输入域名in，单击【OK】，如图4.3-6所示。

3）常规选项。设定常规选项中基本设定，位置选择Assembly（注意该位置是要选生成域的位置，名称不重要），域类型选择Fluid Domain选项，如图4.3-7所示。

图4.3-6 域命名

图4.3-7 定位和类型

4）流体和固体定义。选定物质solid，“Material”选择之前定义的“sand”，修改“Morphology”类型为Dispersed Solid，设定“Mean Diameter”值为0.1mm，“Reference Pressure”是1[atm]，其他默认，如图4.3-8所示。

5）选定物质Water，“Material”选择“water”，“Morphology”类型为Continuous Fluid，“Reference Pressure”是1[atm]，其他默认，如图4.3-9所示。

图4.3-8 固体信息

图4.3-9 流体信息

6）流动模型“Fluid Models”中，勾选Homogeneous Model，选择SST模型，其他默认，如图4.3-10所示。

7）“Fluid Pair Models”选择Gidaspow，其他默认，单击【OK】，如图4.3-11所示。（注：未说明的地方都是默认。）

8）将蜗壳水体和出口水体按照和进口水体一样的方法进行域定义，而对于叶轮水体，在4）和5）的步骤中有些许不同。图4.3-12中，固体信息中Domain Motion修改为Rotating，根据右手法则，Angular Velocity为-1450[revmin^-1]。AxisDeﬁnition选择旋转轴是Z轴。其他默认。同样从图4.3-13中可以看出液体信息的改动和固体的一样。

4.设定进口边界条件

1）在任务栏中单击【Boundary】。

2）指定名称。在弹出的边界条件窗口输入边界名称inlet，单击【OK】，如图4.3-14所示。

3）基本设定。设定常规选项中基本设定，边界类型设置为Inlet，位置是INLET（注意这是选择流体的进口位置），如图4.3-15所示。

图4.3-10 流动模型

图4.3-11 流动双模型

图4.3-12 叶轮域中固体信息

图4.3-13 叶轮域中液体信息

图4.3-14 边界命名

图4.3-15 基本设置

4）边界信息中，“Massand Momentum”选择：Normal Speed，而指定Normal Speed为3.743[ms^-1]，该速度是由流量和叶轮进口直径得到，如图4.3-16所示。

5）流动数值中，固体的体积分数是0.1而液体的是0.9，如图4.3-17所示，其他默认。

图4.3-16 进口速度

图4.3-17 固体和液体的体积分数

5.设定出口边界条件

1）在任务栏中单击【Boundary】。

2）指定名称。在弹出的边界条件窗口输入边界名outlet，单击【OK】，如图4.3-18所示。

3）基本设定。设定常规选项中基本设定，边界类型设置为Outlet，位置是OUTLET（注意这是选择流体的出口位置），如图4.3-19所示。

4）边界信息中，“Mass and Momentum”选择Average Static Pressure，而指定相对压力为0[pa]，其他默认，单击【OK】，如图4.3-20所示。

图4.3-18 边界命名

图4.3-19 基本设定

图4.3-20 出口边界设置

6.交界面设置

1）在任务栏中单击【Iterface】。

2）指定名称。在弹出的交界面命名窗口输入交界面名in_yl，单击【OK】，如图4.3-21所示。

3）基本设定。交界面类型为Fluid Fluid，交界面一边选择进口的出口，另一边选择叶轮的进口。交界面模型是“General Connection”；“Frame Change/Mixing Model”选择Frozen Rotor；“Pitch Change”选择Speciﬁed Pitch Angles；“Pitch Angle“两栏都是360[degree]，如图4.3-22所示。

图4.3-21 交界面命名

图4.3-22 基本设定

4）叶轮和蜗壳的交界面按照上面的方法一样设置。而蜗壳和出口的交界面中与上面有些许差异。如图4.3-23所示，“Frame Change/Mixing Model”修改为None，其他默认。

7.设定求解控制

1）在任务栏中单击【Solver Control】。

2）基本设定。“Advection Scheme”设定为High Resolution；“Turbulence Numerics”设定为First Order（可以根据精度的要求自己设置）；“Convergence Control”中最小设置为1，最大设置为200（本例中为了较快获得结果设置的较小，实际中一般要2000左右）。时间步长控制选择物理时间步长（可以选择自动步长）；物理时间步长为0.006589[s]（推荐物理步长为1/ω）；“Residual Type”选择RMS；“Residual Target”设为0.0001（这个精度基本符合要求），其他默认，单击【OK】，如图4.3-24所示。

图4.3-23 静止部件交界面基本设定

图4.3-24 求解控制设置

8.设定输出控制

1）在任务栏中单击【Output Control】。

2）在监测设置中，单击右侧的新建，然后命名进口为pressure_in，进口采用方程来监测，设置进口压力方程massFlow Ave（Total Pressure）@inlet，而出口则命名为pressure_out，使用的监测方程为massFlow Ave（Total Pressure）@outlet，扬程则命名为h，采用的监测方程为（outtp-inlettp）/1000[m^3kg-1]/9.8[m/s^-2]，单击【OK】，如图4.3-25所示。