基于fluent的混合器内部流场数值模拟

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1、工程计算算法及软件应用题目：基于FLUENT的混合器内部流场数值模拟指导老师：学生姓名：学号：专业：化工过程机械院（系）：化工与能源学院完成时间：2015年01月01日11基于FLUENT的混合器内部流场数值模拟摘要：介绍了FLUENT软件的主要特点及其在冷热水混合器内的应用情况。通过使用FLUENT软件的标准k-є湍流模型对冷热水混合器进行三维数值模拟，分析其内部流场变化情况。通过模拟，能真实反映混合器内部的复杂流动，为混合器的设计和改进提供理论依据。关键词：CFD；FLUENT；冷热水混合器0引言工程热水恒温混合器，是为适应中央热

2、水工程向大型化、自动化和人性化发展的技术要求而研发的，是为太阳能热水工程和各种生活热水供水系统专门配套的一种全自动洗浴水恒温控制设备。广泛适用于宾馆、饭店、学校、医院、厂矿、机关及洗浴中心、游泳池等大中小型生活热水系统。由于混合器的广泛应用，混合器内的各个流场也受到内流研究者的广泛关注。1FLUENT软件简介FLUENT是美国FLUENT公司开发的集流场、燃烧和热、质量传输以及化学反应于一体的商业CFD软件，也是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。自其上市以来，在全球众多的CFD软件开发研究厂商中，FLUENT软件占有最大的市场

3、份额。独特的优点使FLUENT在水利船舶、材料加工、燃料电池、航空航天、旋转机械、噪声污染、核能与动力等方面均有广泛应用。FLUENT软件的最大特点是具有专门几何模型制作软件Gambit模块，并可以与CAD连接使用，同时备有很多附加条件和附加方程添加接口，使用了目前较先进的离散技术和计算精度控制技术，如多层网格法、J决速收敛准则以及光滑残差法等，数学模型的离散化和软件计算方法处理较为得当。实际应用中发现，该软件在模拟单相流动或进出口同向或反向流动时，可以得到较好的模拟计算结果，且具有一定的计算精度。FLUENT软件包主要具有常用的6种

4、湍流数学模型、辐射数学模型、化学物质反应和传递流动模型、污染物质形成模型、相变模型、离散相模型、多相模型、流团移动模型、多孔介质、多孔泵模型等。FLUENT软件的核心部分是纳维一斯托克斯(Navier-Stokes)方程组的求解模块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法，包括SIMPLE,SIMPLEC,PISO三种算法，采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都要优于传统编程中使用的有限差分法。而对可压缩流动采用藕合法，即将连续性方程、动量方程以及能量方程联立求解。FLUENT软件主要由前处理、求解器以及后处理3大模块组成。采

5、用自行研发的GAMBIT前处理软件来建立几何形状及生成网格，然后由FLUENT进行求解。2控制方程与标准k-ϵ湍流模型本文主要分析冷水和热水分别自混合器的两侧沿水平切线方向流入，在容器内混合后经过下部渐缩管道流入等径的出流管，最后流入大气。不可压缩流体的连续性方程在空间直角坐标系中的表达式为：（1）对于不可压缩黏性流体的N-S方程，在空间直角坐标系中的表达式为：11（2）上述方程（2）再加上连续性方程(1）原则上就可以求得不可压缩黏性流体流场的解。但由于N-S方程中出现了速度的二阶导数，它的普遍解在数学上还有困难，只有某些特殊情况才能

6、使方程得到充分简化，求出近似解。由于此流场处于湍流状态，因此采用标准的k-є方程模型。标准k-є方程模型的湍动能k和耗散率є方程如下：（3）（4）式中：为由于平均速度梯度引起的湍动能，为由于浮力引起的湍动能，为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。湍流黏性系数：（5）在COMSOL中，作为默认值常数，，湍动能k与耗散率є的湍流普朗特数分别为。3数学物理建模下面具体阐述混合器分析的控制方程及在Gambit中建立模型的具体方法和步骤。3.1问题描述现有一圆锥形立式混合器．冷水和热水分别自混合器的两侧沿水平切向方向流入，在容器内混合后经下部渐

7、缩通道流入等径的出流管，最后流入大气。混合器示意图如图1所示。11图1混合器结构示意图其几何尺寸如表1所示。表1混合器几何尺寸混合器尺寸混合器主体高度8cm混合器主体半径10cm出口小管长度10cm锥台高度5cm进口小管长度10cm进口小管半径1cm出口小管半径1cm3.2在Gambit中建立模型并划分网格11图2三维混合器网格划分图3.3设置边界条件三维混合器的边界条件如表2所示。表2边界条件边界名称边界类型速度大小温度inlet-1Velocity-inlet1m/s320kinlet-2Velocity-inlet1m/s280

8、koutletPressure-outlet------混合器模型如图3所示图3混合器建模图114数值计算与结果分析笔者采用标准壁面函数、分离隐式求解器进行模拟。进口条件湍流模型k和二的指定采用湍流强度与水力直径。在求解