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使用Hyperworks AcuSolve求解器进行管道液体混合的湍流分析

2021年05月03日 CAE 阅读 346 views 次

本文介绍在Hyperworks AcuConsole中使用AcuSolve求解器进行湍流模型分析的方法,使用Spalart Allmaras湍流模型进行计算。通过AcuMeshSim前处理器进行网格划分,并通过AcuFieldView后处理器查看求解结果。所使用模型文件为AcuSolve帮助文档中的模型mixingElbow.x_t。

1、有限元模型介绍

所使用的模型为工业中常见的液体混合器,大管中为低速流动的液体,在90度弯管处将待混合液体以较高速度注入到低速流动的液体中。几何模型尺寸及边界条件如下图所示,模型关于XY平面对称,仅分析1/2模型。

大管和小管中的液体均为水,密度1000 kg/m3, 分子粘度系数(molecular viscosity) 1 X 10-3 kg/m-sec, 热传导系数0.598 W/m-K, 比热(specific heat)为4183 J/kg-K。通过质量守恒计算得出液体混合后的流速为0.475 m/s,计算公式如下:

计算得出雷诺系数为47500,雷诺系数大于4000,是典型的湍流模型。雷诺系数的计算方法如下。因此本例将使用稳态湍流模型进行分析。

在网格划分中保证大管进水口的周圈有30个网格单元,计算得出网格大小为0.0106 m。并对小管位置进行网格细化,小管位置的网格大小采用0.0053m。

2、分析参数设置

在左侧结构树中双击Problem Description,在下部的Problem Description面板中将Turbulence equation设置为Spalart Allmaras,使用Spalart Allmaras湍流模型进行计算。

同样打开Auto Solution Strategy面板,将松弛因子Relaxation factor设置为0.4.松弛因子用来提高计算的收敛速度,官方推荐的典型值为0.2到0.4之间。过大的松弛因子将导致更多的求解步,花费更多的计算时间。

本例中的材料使用AcuSolve提高的默认流体材料Water,材料参数与默认Water一致。

3、模型设置

导入三维模型,在Model – Volume中双击Element Set,将Material model设置为Water。

在结构树中右击Surfaces,选择New,新建一个名称为Large Inlet的曲面集。双击曲面集下面的Simple BoundaryCondition,将Type设置为Inflow,将Inflow type设置为Average Velocity,并将Average Velocity的值设置为0.4m/s。AcuSolve求解器将通过平均速度方法施加速度边界条件。

在结构树中右击Large Inlet曲面集,选择Add To,并在几何模型中选择下图所示的大圆管入口处的曲面添加到入口边界条件中。同样创建小圆管入口曲面集Small Inlet,并选择小圆管入口处的曲面。同样在Simple BoundaryCondition中将Type设置为Inflow,将Inflow type设置为Average Velocity,并将Average Velocity的值设置为1.2m/s.

创建一个名为Large Pipe的曲面集,并将大圆管的壁面加入到曲面集中。在Simple Boundary Condition中将Type设置为Wall。通用创建名称为Small Pipe的曲面集,并选择小圆管的壁面。

创建一个名称为Outlet的曲面集,并选择上端的出口曲面。在Simple Boundary Condition中将Type设置为Outflow,其他采用默认。最后创建一个名称为Symmetry的曲面集,并将剩余的对称面曲面加入到曲面集中,并将其Type设置为Symmetry。最终所创建的所有曲面集如下所示。

4、网格划分

在Global - Global Mesh Attributes中进行如下所示全局网格参数设置。

在视图工具栏中点击Home按钮,将视图返回到最初位置。将除Symmetry曲面集外的所有曲面和体均隐藏。在Global - Zone Mesh Attributes中新建一个名称为Small pipe refinement的网格控制区域。并双击打开属性设置面板,将Meshzone type设置为Cylinder,将Radius设置为0.0245,将Mesh Size设置为0.0053.点击Open Array,在打开的Array Editor中输入下图所示区域数据。

通过以上区域数据将创建一个包围小圆管的区域,并对此区域采用0.0053m的网格尺寸进行局部网格细化。

在Model > Surfaces > Large Pipe节点下双击Surface Mesh Attributes,进行壁面处网格铺层设置。将Meshsize type设置为None,Boundary layerflag选择On,将Resolve设置为Total Layer Height,并设置First element height为0.001,Growth rate为1.3,Number of layers为4。同样对Small Pipe进行壁面处网格铺层设置,参数同上。

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