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第五章 工程应用实例5.1 圆柱绕流数值模拟一、问题描述把一个圆柱体放在静止的流体中，然后流体以很低的速度（雷诺数很小）绕流圆柱体。此时流动与理想流体绕流圆柱一样，流体在前驻点速度为零，而后沿圆柱体两侧流动，流动在圆柱体的前半部分是降压，速度逐渐增大到最大值，而后半部分是升压，速度逐渐下降，到后驻点重新等于零。增大来流速度（雷诺数增大），圆柱体后半部分的压强梯度增加，以致引起边界层的分离。随着来流速度的不断增加，圆柱体后半部分边界层中的流体微团受到更大的阻滞，分离点一直向前移动。当雷诺数（Re）增大到40左右时，在圆柱体的后面便会产生一对旋转方向相反的对称旋涡。当雷诺数超过40后，对称旋涡不断增长且出现摆动，到雷诺数大约等于60时，这对不稳定的旋涡分裂，最后形成有规则的、旋转方向相反的交替旋涡，这就是卡门涡街。本节将模拟一直径为2cm的圆柱在雷诺数Re为200时卡门涡阶脱落情况。本节涉及以下内容：1、二维结构化网格的划分；2、非稳态计算；3、动画设置；4、后处理：压力云图、速度矢量图；5、数据保存二、GAMBIT建模第1步：创建点操作：点击，如图1。在X，Y，Z上分别输入流体域的边界点的值。在这里取x最小值为-6，最大值为20，y的最小值为-4，最大值为4。对于二维圆柱的创建只需要输入圆心坐标和不在同一条直线上的二个点坐标值即可。创建完成后如图2所示。为了帮助画结构化网格，我们需要在圆柱外面加上一个长为4的正方形，取四个点（-2，2），（-2，-2），（2，-2），（2，2）以及点（-2，4），（-2，-4），（2，4），（2，-4）。点创建完成后如图2所示。 图1 GAMBIT工具栏 图2 点创建完成第2步 由点创线操作：点击右键单击会出现下拉菜单，在下拉菜单中选择，打开“Creat Full Circle”对话框如图3所示。图3 创建圆对话框按照提示在Center 后选择圆心点，在End-Point 后面选择圆周上的两个点，点击Apply。图4 创建圆右键点击，在出现的下拉菜单中选择，创建流体域的外围边界线。依次点击外围各点连接成直线。如图5所示。图5 创建线第3步 由线建面3.1 四等分圆为了下一步对圆划分结构化网格需要将圆分成四段。此时需要连接圆心与正方形的四个顶点。连接完成后如图6所示。图6 创建等分线 打断线操作：，在图7的菜单栏Split with 后面选择Edge。第一个Edge选择需要打断的线，第二个Edge选择去打断的线。在这里，我们选择圆为需要打断的线，依次选择四条斜线将其打断为四段。打断后的图形见图8。依次连接各打断点和对应的四个角点。图7 打断对话框图 图8 圆被打断3.2 由线创建面 由GAMBIT进行线创建面的操作中，每个面都需要用几条封闭的曲线构成。因此在创建时需要注意选择的线段封闭。操作：在Edge后面选择需要构成面的几条线段。注意：圆由四个面构成。图9 创建面对话框 图10 由线构建面第4步 划分网格4.1 线网格划分1、划分圆的网格。操作：出现图11所示对话框。图11 线网格对话框在Edge 后的黄色框里选择一段圆弧，点击Spacing后面的Interval size 将其改成Interval Count，然后输入30；然后依次将各段圆弧划分网格，内部网格节点均输入30。图12 一段圆弧划分网格每段圆弧对应了一段正方形的边，将每段正方形的边网格节点数也设置为30，以划分结构化网格。图13 正方形网格划分3、斜边网格对于四条斜边的网格划分需要局部进行局部加密，即在圆柱表面网格要密，相对远一些的地方网格可以稀疏一些。参数设置如图14所示，选择一段斜线，在Ratio后输入1.05，即表示网格节点以1.05的比例增长。结果如图15所示。 图14 比例操作 图15 比例网格四条斜边均按1.05的比例进行网格划分，网格数为25。4、其余边网格别的边的网格划分要相对简单一些，只要依据网格节点之间的距离合适，对边的网格节点数相等就可以。线网格划分完成以后如图16所示。图16 线网格划分完成4.2 面网格划分操作：选择一个面，ELEMENTS选择QUAD（四边形网格），type选择MAP(结构化网格)，点击APPLY。此时划分出来的网格为结构化四边形网格。依次划分各个面，均划分为结构化网格。如图18所示。 图17 面网格划分对话框 图18 面网格划分第5步 设定边界条件操作：在图19所示的对话框中，入口Inlet定义为velocity inlet，出口Outlet定义为Outflow，圆柱体cylinder定义为wall，周围边界定义为壁面wall。图19 边界条件对话框第6步 输出网格文件操作：File-Export-mesh图20 输出对话框输入输出名cylinder.msh，点击Export 2-d（X-Y）Mesh前面的按钮使其变红，点击Accept，输出完成。三、利用FLUENT进行计算。第1步：网格的相关操作（1）读网格文件（cylinder.msh）FileReadCase（2）检查网格GridCheck网格文件读入以后，要进行网格检查。通过此操作可以获知网格信息、几何区域的大小等。另外，重要的一点是从minimum volume 可以知道最小的网格体积，如果此值大于0，说明网格可以用来计算，否则就必须重新划分网格。检查结果见图21。图21 网格检查结果（3）计算域尺寸的调整DisplayScale打开如图22所示的对话框，对几何区域进行尺寸的调整。在GAMBIT中画图是所用的单位统一为mm，导入FLUENT中时单位变为m，所以需要调整网格的尺寸比例，使最后尺寸符合实际模型的大小。图22 Scale Grid 对话框（4）显示网格DisplayGrid打开网格显示对话框，如图23所示，显示圆柱周围的网格，见图24。图23 Grid Display 对话框 图24 圆柱局部网格第2步：选择计算模型（1）求解器定义DefineModelsSolver打开基本求解器设置对话框，本例所用到的具体设置见图25。因为涡脱落为非稳态现象，所以选择非稳态模型。图25 基本求解器Solver对话框（2）选择湍流方程DefineModelsViscous打开Define Model对话框，湍流模型的选取要根据计算的需要和具体湍流模型的适用范围而定，本事例的湍流模型的选取及参数的设置见图26。在这里选择层流模型。图26 Viscous Model对话框第3步：材质的选取Define Material打开材质选项对话框，如图27，点击Fluent Database，在弹出新的对话框（见图28），在图28中选择water-liquid，点击copy。再在图27中点击Change/Create。图27 Materials 对话框图28 Fluent Database Materials 对话框第4步、操作环境的设置Define Operating Conditions打开如图29所示的对话框，其中Operating Pressure( Pascal )表示流动所处的一个大气压，可根据具体情况进行修改；Gravity下面的选项若被勾选，就说明在当前的工作环境中需要考虑重力的影响。本例采用默认的操作环境即可。图29 操作环境设置对话框第5步:边界条件DefineBoundary Conditions通过如图30所示对话框可以使得计算区域的边界条件具体化，包括区域内材质的指定，出入口边界条件、圆柱的边界条件以及壁面边界条件等。下面主要介绍材质、出口、入口边界条件的设置过程，其余保持默认即可。图30 Boundary Conditions对话框（1）设置Fluid流体区域的边界条件在Zone下面选择fluid，单击set按钮，弹出如图31所示的对话框。在Material Name文本框中选取water-liquid，就可以把区域中的流体定义为液态水。图31 fluid区域设置对话框（2）设置inlet的边界条件在Zone下面选择in，对应的边界条件类型为velocity-inlet，然后单击set按钮，弹出如图32所示的对话框。在velocity Magnitude 文本框内输入0.02m/s，单击OK。图32 velocity-inlet对话框（3）设置outlet的边界条件在Zone下面选择outlet，对应的边界条件类型为out-flow，然后单击set按钮，弹出如图33所示的对话框。本例保持默认即可。图33 out-flow对话框第6步:求解（1）设置求解参数SolverControlsSolution打开如图34所示的对话框，具体设置如图所示。图34 Solution Controls 对话框（2）初始化Solver InitializeInitialize打开如图35所示的对话框，设置Compute From为in；Reference Frame 选为Absolute；依次点击Init、Apply和Close按钮。图35 Solver Initialize 对话框（3）设置残存Solver MonitorsResidual打开如图36所示的对话框，选中Options下面的plot，计算过程中将动态的显示计算残差的走势；Convergence对应数值是计算结果的残差要满足的最低要求，数值越小说明计算的精度要求越高。图36 Residual Monitors 对话框（4）打开动画监视器SolverAnimateDefine打开如图37所示的对话框，定义名称为cylinder， 点击Define，出现图38所示对话框，选择存储类型为Metafile，选择监视窗口，点击set，将会出现一个空白图形窗口，此时点击contours of 选择所想显示的云图种类，一般选择速度云图，点击OK。图37 Animate Monitors 对话框 图38 Animate Sequence 对话框（5）自动保存FileWriteAutosave 打开如图39所示的对话框，在File Name内输入自动保存的地址目录；Autosave Case File Frequency和Autosave Data File Frequency文本框内输入自动保存一次所需的迭代步数。图39 Autosave 对话框（6）保存前面所设置的文件File WriteCase通过这一操作保存前面所做的所有设置。（7）开始迭代Solve Iterate打开如图40所示对话框，单击Iterate按钮将开始迭代求解。图40 Iterate对话框第7步：后处理（1）压力云图显示DisplayContours打开如图41所示对话框，利用此对话框可以显示压强、速度、密度、湍流强度等等的分布云图。图41 Contours对话框由图21所示对话框，在Options下面选取Filled；Contours of 下面选取Pressure和Static Pressure。将弹出如图42所示的整个流场的静压分布云图。图42 静压分布云图（2）速度矢量图DisplayVector打开如图43所示对话框，利用此对话框可以显示流场内的速度矢量分布图。显示结果如图44、图45所示。图43 Vectors对话框图44 圆柱速度矢量图图45 局部速度矢量放大图（3）动画回放Solver AnimatePlayback打开如图46所示对话框，利用此对话框可以显示整个流场内的静压变化过程。点击Read键，读取cylinder.cxa文件，点击PLAY键，可以看到保存的文件在播放器中像电影一样播放；如果在Write/Record Format下拉菜单中选择MPGE格式，点击Write，可以把所有的动画制作成电影文件保存，方便以后观看。图26 Playback图第9步：保存计算后的Case和Data文件File WriteCase & Data当迭代完成并达到计算要求以后，把相关的Case和Data文件保存下来。练习题1、改变Re的值，重新计算，观察流场。2、圆柱以120rpm的转速匀速转动，针对不同的Re进行计算，观察流场变化。