基于Ansys Fluent的水管喷水过程仿真

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国庆突然高温转暖，让我们又可以拿着水枪玩耍了，尽情的抓住夏天的尾巴。玩耍之余，突发奇想让电脑也玩玩水，于是乎利用Ansys Fluent对水管喷水的过程进行了仿真。

整体仿真在Ansys Workbench平台内完成，采用DesignModeler进行几何建模，Ansys Meshing划分网格，Fluent设置求解和后处理。接下来将详细描述每一步的具体操作。

图1  仿真流程

 

1.几何模型

打开DesignModeler，建立简化的模型，如图2。左侧为水管，命名为water_in，右侧为喷水的空间，命名为room。水从水管以2m/s速度喷出到右侧墙壁，利用Fluent仿真这一过程。

定义水管左侧边为入口inlet，定义右侧room底边为出口outlet。

 

图2  水管和喷水区域几何模型

 

2.划分网格

双击mesh模块，打开网格划分工具Ansys Meshing。（P.S. 由于是2D模型，所以用Ansys Meshing，Fluent Meshing只能处理3D模型）

2.1.设置water_in区域网格尺寸

(1)右键点击mesh，Insert -> Sizing。

图3  添加网格尺寸设置

(2)点击sizing，选择water_in区域，点击apply，网格尺寸0.2mm

图4  water_in区域网格尺寸设置

2.2.设置space区域网格尺寸

同样的方法对space区域进行网格尺寸设置，网格尺寸1mm

图5  space区域网格尺寸设置

2.3.添加边界层网格

(1)右键mesh，Insert -> Inflation，添加边界层。

图6  添加边界层网格设置

(2)点击Inflation，选择water_in区域，apply，选择water_in区域上下两条线，apply，边界层数填6

图7  边界层网格设置参数

2.4.生成网格

右键点击mesh，选择generate mesh，生成网格如图。

 

网格节点数51937个，单元数51393个。

图8  整体和局部网格

 

3.求解设置

Workbench工程内，双击Fluent模块下Setup，打开Fluent启动界面，勾选Double precision，线程填入4（根据自己电脑情况选择），点击Start启动Fluent。

图9  启动Fluent

3.1.通用设置

3.1.1.检查网格质量

点击Check和Report Quality，查看网格质量。选择瞬态仿真，开启重力，y值填入-9.81.

图10  通用设置

3.2.设置材料

双击Fluid，选择Fluent Database，在材料列表里找到water-liquid，点击copy，close。

图11  添加材料water-liquid

3.3.设置物理模型

3.3.1.多相流模型设置

(1)打开多相流模型，选择VOF模型，apply。

图12  激活VOF多相流模型

(2)选择Phases选项卡，主要相设为air，次要相设为water-liquid。

图13  相的设置

3.3.2.湍流模型设置

双击粘性模型，选择Realizable k-epsilon，近壁面处理采用可扩展的壁面方程。

图14  湍流模型的选择

3.4.边界条件设置

3.4.1.入口边界条件

(1)点击inlet，类型选择速度入口，点击Edit，输入速度2m/s，其余默认，apply。

 

图15  入口速度设置

(2)相选中water，体积分数输入1，表示入口全部是水。

图16  入口相体积分数设置

 

3.4.2.出口边界条件

点击outlet，类型选择pressure-outlet，保持默认。

 

图17  出口边界设置

3.5.求解方法设置

求解方法保持默认即可。

图18  求解方法设置

3.6.初始化

3.6.1.整体初始化

点击Initialization，选择从inlet开始计算，注意water Volume Fraction为1。

图19  初始化设置

3.6.2.局部初始化

初始化结束后，点击界面中的按钮进行局部初始化。

(1)对space初始化成air。Phases选择water，变量为体积分数，数值为0，局部初始化的区域选择mode-space，点击patch。

图20  对space进行局部初始化

(2)对water_in初始化成water。数值改为1，局部初始化的区域选为model-water_in，点击patch。

图21  对water_in进行局部初始化

(3)查看局部初始化是否成功

双击云图，选择Phases，选择water，点击save/display。

图22  水的体积分数云图设置

云图显示水的体积分数，初始化成功。

图23  初始化的水体积分数云图

3.7.保存动画

选择Calculate activities，双击Solution Animations，填入每10次时间步记录一次，对象选择刚刚新建的water-vf云图，点击OK。

图24  动画保存设置

3.8.计算求解

双击Calculation，步数5000，时间步长0.0001s，每步最大迭代次数40，点击Calculate。

图25  计算设置

计算中可以监视喷水的过程。

图26  监视喷水过程

 

4.后处理

计算结束后。

图27  残差曲线

点击Animations，playback，选择video File格式，点击Wrtie生成动画文件。

 

图28  查看和导出动画文件

 

5.总结

利用Ansys Fluent多相流VOF模型和RKE湍流模型，可以实时的对水管喷水的过程进行瞬态仿真。