利用fluent对空气在一个喷管内的流动做流场分析

下面我将利用fluent对空气在一个喷管内的流动做流场分析，fluent用的是有限体积法来进行计算仿真。

该喷管模型如下：这是一段缩放型喷管，空气在压力作用下从左端进入喷管，从右端出来。进口的压力为1atm，出口的平均压力为0.843atm。管直径为40mm，长度为160mm。

图1  喷管示意图

如上图所示，空气在一个大气压的作用下通过平均背压为0.843atm的缩放型喷管。背压是以正弦波的规律变化的，即

我要做的工作是在gambit中建立该喷管的二位模型，再利用fluent求解器计算喷管内的不定常流动。

首先，利用gambit建立二维喷管的计算模型。模型如下图所示。由于喷管是对称结构，因此先建立上半部分的模型。

图2 用gambit建立的喷管轮廓图

建模完成以后，对各条边进行节点划分。然后再创建结构化网格。创建的结构化网格如下图所示。

图3  区域内的网格图

网格划分完成以后，开始设置边界类型。设置网格类型包括以下几个步骤：(1)确定进口边界类型；(2)确定出口边界类型；(3)确定固壁边界类型；(4)定义对称面。

以上工作都完成以后，要输出网格文件。输出网格文件以后，再利用fluent进行喷管内流动的仿真计算。

利用fluent进行喷管内流动的仿真计算步骤如下：

(1)读入网格文件，读入网格文件以后，将会在信息反馈窗口显示网格的有关信息，如果没有错误就可以继续进行，若有错误，要重新设定gambit中的网格。

(2)下面再检查网格，fluent将会对网格进行各种检查，并将结果在信息反馈窗口中显示出来，其中要特别注意最小体积一项，要确保为正数，否则无法计算。

(3)检查网格没有问题后，要显示网格。由于显示的网格图形不是整体，而仅仅是图形的一半。为了更好的显示网格图形，可以利用镜面反射功能，以对称面为镜面，进行对称反射并构成一个整体。如下图所示：

图4  整体区域的网格图

    (4)设置长度单位及压强单位，由于fluent默认的长度单位是m，要将单位改成mm；再重新设定压强的单位，定义压强的单位为大气压atm，它不是fluent的默认单位，其默认单位为Pa。

(5)建立求解模型。选择耦合、隐式求解器，先求解定常流动，将求解的值作为非定常流动的初始值。再选择湍流模型为Spalart-Allmaras模型，该湍流模型是一种相对简单的一方程模型，仅考虑了动量的传递方程。在气体动力学中，对于有固壁边界的流动，利用Spalart-Allmaras模型计算边界层内的流动以及压力梯度较大的流动都可得到较好的结果。

(6)设置流体属性。选择理想气体定律来计算流体的密度。此时，fluent会自动激活求解能量方程，不用再到能量方程设置对话框中进行设置了。

(7)设置边界条件。先将初始压强设置为0atm后，在边界条件设置时，将是以绝对压强给定的。边界条件中压强的给定总是相对于工作压强的。分别设置喷管的入口和出口边界条件。

(8)求解定常流动。先进行流场初始化，再设置求解器参数，再设置残差监视器，设置出口质量流量监视器。

残差曲线如下图所示：

图5  残差监视变化曲线

图6  出口质量流量监测变化曲线

质量曲线说明了解得收敛性。

(8)下面做出定常流动速度矢量。如下图所示：

图7  速度矢量图

定常流动计算显示，通过喷管的流速最高可达262m/s。

(9)显示压强的分布

图8  喷管内压强分布图

由图中可以明显看出，喷管左边为高压区，右边为低压区，气体在两端压差的作用下流动。在喷管喉部气体流速最快，其压强也最小。

(10)显示喷管壁面上的压强分布

图9 喷管壁面上的压强分布图

喷管壁面的压强分布也说明了喷管左端为高压区，右端为低压区，喷管喉部压强最小。