【详细FLUENT实例讲座】90°弯管冲蚀计算

注：资料来源于ANSYS官方实例教程。

1引言

本例的目的在于利用FLUENT侵蚀模型研究3D弯管受粒子冲击造成的侵蚀现象。侵蚀现象在工程应用中是一种比较普遍的现象。

本例主要展现以下几点内容：

（1）使用侵蚀模型分析3D弯管的侵蚀

（2）如何使用离散相模型

（3）使用合适的求解设置建立并求解模型

（4）结果数据的后处理。

2前置要求

本例假定读者已熟悉FLUENT的操作界面，并且已了解FLUENT求解设置的一般过程。一些基本的操作步骤不会描述得过于详细。同时，要求读者对于FLUENT中的离散相模型有一定的了解。

3问题描述

本例的计算几何如图1-1所示。计算几何由两个90°弯管组成。

图1-1几何模型

水从inlet入口以法线方向10m/s速度流入计算域，outlet出口被假定为outflow边界。流场求解采用湍流模型，等温及稳态求解条件。

粒子密度1500kg/m3，以速度10m/s从inlet入口进入流体域，粒子直径200微米，质量流量1kg/m3。

壁面边界的法向和切向反射率定义为粒子冲击角的多项式函数，在冲蚀模型中，冲击角函数被定义用于描述管道壁面的延性损伤。

本例中，粒径函数定义为常数值1.8e-9，速度指数函数设置为常数2.6，这些值与公开文献保持一致。

4设置与求解

Step 1：模型准备

1、以3D版本打开FLUENT软件。如图1-2所示。

2、在FLUENT软件中利用菜单【File】>【Read】>【Mesh】，选择并导入计算网格3d-elbow.msh文件。

图1-2启动FLUENT

Step 2：General面板设置

1、点击操作树节点General

2、在右侧操作面板中点击Scale…按钮，进行模型尺寸确认。

3、点击check…按钮，检查网格质量。

4、点击display…按钮，在图形区域显示网格。

5、其它参数保持默认。

图1-3 General面板参数设置

Step 3：Models设置

1、点击操作树节点Models进入模型操作面板。

2、设置viscous为标准k-e湍流模型。

鼠标双击模型列表中的viscous-laminar列表项，在弹出的设置对话框中进行如图1-4所示的参数设置。点击OK按钮确认参数设置并关闭对话框。

图1-4
设置湍流模型

3、设置离散相模型

鼠标双击Models列表框中Discrete Phase列表项，进入离散相设置面板。

（1）勾选选项Interaction with Continuous Phase

（2）设置Number of Continuous Phase Interations per DPM Iteration为5

（3）设置Tracking标签页下参数max. Number ofSteps为10000，设置Step LengthFactor参数为5

（4）切换至Physical Models标签页，勾选激活选项Erosion/Accretion，其他参数保持默认设置。

图1-5离散相设置

4、设置粒子入射

鼠标点击图1-5面板中的按钮Injections…，进入粒子入射设置面板。

（1）点击Create按钮创建新的粒子入射。弹出如图1-6所示的入射定义面板。

（2）设置Injection Type为surface，并在Release From Surfaces列表框中选择inlet为粒子入射位置。

（3）选择Particle Type为Inert。

（4）设置Point Properties标签页，设置Z-Velocity为10，设置Diameter为0.0002，设置Total Flow Rate为1。

（5）进入Turbulent Dispersion标签页，勾选Discrete Random Walk Model，设置Number of Tries参数值为10。如图1-7所示。

图1-6创建粒子入射

图1-7设置湍流弥散

Step4：Material设置

（1）点击模型操作树节点Materials

（2）鼠标双击右侧面板材料列表项anthracite，进入材料编辑面板

（3）修改Name为sand，修改Density为1500

点击按钮Change/Create保存修改，在弹出的对话框中选择Yes按钮。

操作过程如图1-8所示。

图1-8
修改材料属性

（4）点击按钮Fluent Database…，在FLUENT材料数据库中寻找到材料water-liquid(h2o<l>)，点击Copy按钮将其拷贝到材料列表中。

（5）点击Close按钮关闭材料对话框。

Step 5：Cell Zone Conditions设置

（1）点击模型操作树节点Cell Zone Conditions，进入计算域设定面板。

（2）点击Edit按钮，进入设定对话框

（3）设定fluid的材料为water-liquid，如图1-9所示。

图1-9计算域设置

Step6：Boundary Conditions设置

点击模型树节点Boundary Conditons进入边界条件设置面板。

1、inlet边界设置

（1）设置Velocity Magnitude为10m/s

（2）设置Turbulence SpecificationMethod为Intensity and HydraulicDiameter

（3）设置Turbulence Intensity为5%

（4）设置Hydraulic Diameter为0.05

点击OK按钮关闭inlet边界设置对话框。

2、outlet边界设置

修改outlet边界类型为outflow，其它参数保持默认。

3、wall边界设置

需要在wall边界中指定粒子与壁面的碰撞行为。鼠标选择Zone列表中的wall，点击下方按钮Edit…，进入wall边界设置对话框。

（1）进入DPM标签页

（2）设置Discrete Phase ReflectionCoefficients，包括Normal及Tangent

（3）点击Normal右侧按钮Edit，弹出如图1-10所示对话框，按图中参数进行设置。

提示：多项式指定方式经常会遇到。图中的多项式指定表达的函数为：y=0.993-0.0307x+(4.75e-4)x2-(2.61e-6)x3，x为in terms of下的选项，本例中为angle

图1-10
法向多项式指定