如图10-12所示，薄壁小孔入口速度为0.1m/s，出口压力为0Pa，试求水流通过小孔时的压力和速度分布。已知水密度为1000kg/m3，黏度为0.001kg/（m·s）。
本例是一个工程上常见的薄壁小孔问题，水流过薄壁小孔后出现漩涡，因此需要用湍流方式来求解该问题。
图10-12 薄壁小孔模型
操作步骤
1.启动ANSYS 14.5
双击桌面上的“Mechanical APDL Product Launcher”图标
，弹出“ANSYS配置”窗口，在“Simulation Environment”选择“ANSYS”，在“license”选择“ANSYS Multiphysics”，然后指定合适的工作目录，单击“Run”按钮，进入ANSYS用户界面。
2.指定工程名和分析标题
1）选择“Utility Menu＞File＞Change Jobname”命令，弹出“Change Jobname”对话框，修改工程名称为“hole”，如图10-13所示。单击“OK”按钮完成修改。
图10-13 “Change Jobname”对话框
2）选择“Utility Menu＞File＞Change Title”命令，弹出“Change Title”对话框，修改标题为“Flow Analysis in a small hole”，如图10-14所示。单击“OK”按钮完成修改。
图10-14 “Change Title”对话框
3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“Flow Analysis in a small hole”显示在窗口的左下方。
3.指定分析类型
选择“Main Menu＞Preference”命令，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，勾选“FLOTRAN CFD”选项，如图10-15所示。单击“OK”按钮确认。
图10-15 “Preferences for GUI Filtering”对话框
4.定义单位
在ANSYS软件的主界面命令输入窗口中，输入“/UNIT，SI”，如图10-16所示。然后单击“Enter”键确认。
图10-16 输入单位命令
5.定义单元类型
1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete”命令，弹出“ElementTypes”对话框，如图10-17所示。
2）单击“Add…”按钮，弹出“Library of Element Types”对话框，在左边的列表中选择“FLOTRAN CFD”选项，选择流体单元类型，然后在右边列表中选择“2D FLOTRAN 141”单元，如图10-18所示。单击“Library of Element Types”对话框的“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。
图10-17 “Element Types”对话框
图10-18 “Library of Element Types”对话框
3）单击“Close”按钮关闭“Element Types”对话框，结束单元类型的添加。
6.建立分析模型
1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞In Active CS”命令，弹出“Create Keypoints in Active Coordinate System”对话框，输入关键点号为1和坐标值（0，0，0），单击“OK”按钮，以当前活动坐标系（系统默认为笛卡儿坐标系）定义一个关键点，如图10-19所示。
图10-19 在活动坐标系中定义关键点1
2）重复上述步骤分别创建关键点，坐标为：关键点2（0，0.04）；关键点3（0.15，0.04）；关键点4（0.15，0.015）；关键点5（0.155，0.0225）；关键点6（0.155，0.04）；关键点7（0.305，0.04）；关键点8（0.305，0）。
3）选择“Utility Menu＞PlotCtrls＞Numbering”命令，弹出“Plot Numbering Controls”对话框，选中“Keypoint numbers”复选框，单击“OK”按钮，显示所创建的关键点，如图10-20所示。
图10-20 显示所创建的关键点
4）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Lines＞Straight Line”命令，弹出“Create Straight Line”对话框，在图形区选择关键点1和2，或直接输入两点编号“1，2”绘制直线L1，然后单击“OK”按钮创建直线，如图10-21所示。
图10-21 创建直线
5）重复上述步骤创建线，分别连接关键点2和3，3和4，4和5，5和6，6和7，7和8，8和1，如图10-22所示。
图10-22 创建其余直线
6）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Arbitrary＞By Lines”命令，弹出“Create Area By Lines”对话框，选择“Loop”选项，选择任一条所创建的直线，系统自动选择所有线，成一个封闭区域，然后单击“OK”按钮创建面，如图10-23所示。
图10-23 通过边界线创建面
7）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Reflect＞Areas”命令，弹出拾取对话框，选择所有的面，然后单击“OK”按钮，弹出“Reflect Areas”对话框，选择“X-Z plane”选项，单击“OK”按钮完成镜像，如图10-24所示。
图10-24 镜像面
8）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Boolean＞Add＞Areas”命令，弹出“Add Areas”对话框，选择所有面，单击“OK”按钮完成加运算，如图10-25所示。
图10-25 面加运算
9）选择“Utility Menu＞PlotCtrls＞Numbering”命令，弹出“Plot Numbering Controls”对话框，取消“Keypoint numbers”复选项，单击“OK”按钮，此时隐藏显示关键点和线号。
7.划分网格
1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesher Opts”命令，弹出“Mesher Option”对话框，在“Midside node placement”选项中选择“No midside nodes”，单击“OK”按钮，弹出“Set Element Shape”对话框，在“2D Shape key”选项中选择“Quad”，单击“OK”按钮完成，如图10-26所示。
2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞Global＞Size”命令，弹出“Global Element Sizes”对话框，在“Element edge length”文本框中输入0.005，单击“OK”按钮完成单元尺寸设置，如图10-27所示。
3）在网格工具中选择分网对象为“Areas”，网格形状为“Quad”，选择分网形式为“Free”，单击“Mesh”按钮，拾取面，单击“OK”按钮，生成网格，如图10-28所示。(www.xing528.com)
图10-26 设置网格选项和单元形状
图10-27 设置单元尺寸
图10-28 生成映射网格
8.施加边界条件
1）选择“Utility Menu＞Plot＞Lines”命令，显示直线和曲线。
2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Fluid/CFD＞Velocity＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，选择左端竖直线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply VELO，load on lines”对话框，在“Apply VX load as a”文本框中输入数值0.1，在“Apply VY load as a”文本框中输入0，单击“OK”按钮完成约束，如图10-29所示。
图10-29 施加入口流速
3）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Fluid/CFD＞Pressure DOF＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，选择右端竖直线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply PRES on lines”对话框，在“Pressure value”文本框中输入数值0，单击“OK”按钮完成约束，如图10-30所示。
图10-30 施加出口压力
4）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Fluid/CFD＞Velocity＞On Lines”命令，弹出实体选取对话框，选择上下10条直线后，单击“OK”按钮，弹出“Apply VELO，load on lines”对话框，在“Apply VX load as a”文本框中输入数值0，在“Apply VY load as a”文本框中输入0，单击“OK”按钮完成约束，如图10-31所示。
图10-31 施加无滑移边界条件
9.定义流体性质
1）选择“Main Menu＞Solution＞FLOTRAN Setup＞Fluid Properties”命令，弹出“Fluid Properties”对话框，在“Density”下拉列表中选择“Constant”，在“Viscosity”下拉列表中选择“Constant”，如图10-32所示。单击“OK”按钮完成。
2）系统弹出“CFD Flow Properties”对话框，在“Density property type”后面文本框中输入1000，在“Viscostiy property type”文本框中输入0.001，如图10-33所示。单击“OK”按钮完成。
图10-32 “Fluid Properties”对话框
图10-33 “CFD Flow Properties”对话框
10.设置求解控制选项
1）选择“Main Menu＞Solution＞FLOTRAN Set Up＞Solution Options”命令，弹出“FLOTRAN Solution Options”对话框，在“Laminar or turbulent”下拉列表中选择“Turbulent”，如图10-34所示。单击“OK”按钮完成。
图10-34 设置湍流条件
2）选择“Main Menu＞Solution＞FLOTRAN Set Up＞Execution Ctrl”命令，弹出“Steady State Control Settings”对话框，在“Global iterations”文本框中输入30，如图10-35所示。单击“OK”按钮完成。
图10-35 设置迭代次数
11.求解
1）选择“Main Menu＞Solution＞Run FLOTRAN”命令，开始求解，并在求解信息窗口中显示迭代过程曲线，如图10-36所示。
图10-36 求解信息窗口
2）求解完成后弹出“Note”对话框，如图10-37所示。单击“Close”按钮关闭。
图10-37 “Note”对话框
12.后处理显示结果
1）选择“Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞Last Set”命令，读取最后一个迭代计算结果。
2）绘制流场速度分布图。选择“Main Menu＞General PostProc＞Plot Results＞Vector＞Predefined”命令，弹出“Vector Plot of Predefined Vectors”对话框，选择“DOF solution＞Velocity V”选项，单击“OK”按钮绘制流场分布图，如图10-38所示。
图10-38 流场速度分布图
3）绘制总压力（动压和静压）分布图。选择“Main Menu＞General PostProc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solution”命令，弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，选择“Nodal Solution＞Other FLOTRAN Quantities＞Total stagnation pressure”选项，单击“OK”按钮绘制流场总压分布图，如图10-39所示。
图10-39 流场总压分布图
4）选择“Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Define Path＞By Nodes”命令，弹出“By Nodes”对话框，选择出口处所有节点，单击“OK”按钮，弹出“By Nodes”对话框，在“Define Path Name”文本框中输入路径名称“velocity”，单击“OK”按钮创建路径，如图10-40所示。
图10-40 通过节点创建路径
5）选择“Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Map onto Path”命令，弹出“Map Result Items onto Path”对话框，在“User label for item”文本框中输入“outvel”，选择要映射的结果项“DOF solution＞Velocity VX”，单击“OK”按钮完成，如图10-41所示。
图10-41 映射路径数据
6）选择“Main Menu＞General Postproc＞Path Operation＞Plot Path Item＞On Graph”命令，弹出“Plot of Path Items on Graph”对话框，在“Path items to be graphed”列表中选择路径“OUTVEL”，单击“OK”按钮，显示速度随距离的变化，如图10-42所示。
图10-42 沿着端面的速度分布曲线图
7）选择“Main Menu＞General Postproc＞Path Operation＞Plot Path Item＞On Geometry”命令，弹出“Plot of Path Items on Geometry”对话框，在“Path items to be graphed”列表中选择路径“OUTVEL”，单击“OK”按钮，显示速度随距离的变化云图，如图10-43所示。
图10-43 沿着端面的速度分布云图
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