水龙头冷热水混合分析结果

1.问题描述

两种状态的水流经某一水龙头，其中100℃的热水以0.5m/s的速度沿着Z正向从左侧流入并与以0.4m/s的速度从右侧流入的26.85℃冷水混合，其他相关参数在分析过程中体现。为了设计合理的水龙头过渡连接，试对流经水龙头混合的流体区域与温度区域进行流体力学分析。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行ANSYS 18.0→Workbench 18.0命令。

图15-70 创建Fluent Meshing项目

（2）创建Fluent Meshing项目

①在工具箱【Toolbox】的组件系统【Component Systems】中双击或拖动【Fluent（with Fluent Meshing）】到项目分析流程图，如图15-70所示。

②在Workbench的 工 具 栏 中 单 击【Save】，保存项目工程名为Faucet.Wbpj。有限元分析文件保存在D：\AWB\Chapter15文件夹中。

（3）进入Fluent Meshing网格划分环境及生成面网格

①在流体动力学网格划分项目上，右键单击【Mesh】→【Edit…】→【Fluent Launch-er】→【Options】=Double Precision，【Processing Options】→【Parallel】→【Parallel（Local Ma-chine）】→【Processes】=4（根据用户计算机计算能力设置），单击OK进入Fluent Meshing网格划分环境。

②导入几何模，单击【File】→【Import】→【CAD…】，弹出【Import CAD Geometry】对话框，单击File预览找到模型文件Faucet.agdb，打开导入几何模型。模型文件在D：\AWB\chapter15文件夹中。

③单击【Import CAD Geometry】→【Length Unit】=mm，如图15-71所示。

④单击【Import CAD Geometry】→【Options…】→【Tessellation】→【CFD Surface Mesh】→【Parameters】→【Min Size】=2，【Max Size】=5，其他默认，单击【Apply】。

⑤单击【Import CAD Geometry】→【Import】，导入几何模型。

⑥在左侧导航树上，右键单击【Mesh Objects】→【Draw All】，模型出现图形窗口；功能区【Display】→选择【Face Edges】，面网格模型出现在窗口，如图15-72所示。注意：该模型已定义边界出入口。

图15-71 导入几何模型

图15-72 导入的模型及面网格

（4）划分体网格

①在导航树上，依次单击【Mesh Objects】→【faucet】→【Face Zone Labels】，如图15-73所示。

②右键单击【Volumetric Regions】→【Computer…】，出现体faucet区域。

③右键单击Volumetric Regions下【faucet】→【Change Type…】→【Change Regions】→【New Type】=fluid，单击【OK】关闭对话框。

④右键单击Volumetric Regions下【faucet】→【Diagnostic…】→【Diagnostic Tools】→【Is-sue】→【Steps】→【Step width】=1，单击【Mark】→【Close】关闭窗口，如图15-74所示。

图15-73 展开树图

图15-74 诊断工具

⑤右键单击Volumetric Regions下【faucet】→【Scoped Prisms】→【Set…】→【Scoped Prisms】→【First Aspect Ratio】=5；【Scoped to】=fluid regions，单击【Create】→【Close】关闭窗口，如图15-75所示。

⑥右键单击【Volumetric Regions】→【Auto Mesh…】→【Auto Mesh】→【Volume Fill】→【Set…】→【Tet】→【Refinement】→【Growth Rate】=1.2，单击【Apply】→【Close】关闭Tet窗口；单击【Auto Mesh…】→【Apply】→【Mesh】，划分体网格，单击【Close】关闭窗口，如图15-76所示。

图15-75 创建Prisms

图15-76 体网格划分

⑦单击主菜单【Parallel】→【Partitions…】→【Parallel】→选择【Auto Partition】→【Apply】，单击【Close】关闭窗口，如图15-77所示。

⑧单击主菜单【Report】→【Cell Limits…】→【Report Cell Limits】→选择【Cell Zones】→【Compute】，可以显示网格质量，单击【Close】关闭窗口，如图15-78所示。

图15-77 设置平行计算

图15-78 质量检测

（5）进入Fluent环境及网格检查

①单击Ribbon功能区求解切换选项【Switch to Solution】弹出对话框，单击Yes，进入Fluent环境。

②控制面板，【General】→【Mesh】→【Check】，命令窗口出现所检测的信息。

③控制面板，【General】→【Mesh】→【Report Quality】，命令窗口出现所检测的信息，显示网格质量处于较好的水平。

④单击Ribbon功能区【Setting Up Domain】→【Info】→【Size】，命令窗口出现所检测的信息，显示网格节点数量为36796个。

（6）指定求解类型

①单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】，选择时间为稳态【Steady】，求解类型为压力基【Pressure Based】，速度方程为绝对值【Absolute】，如图15-79所示。

图15-79 求解算法控制

②单击Ribbon功能区【Setting Up Domain】→【Units…】→【Set Units】→【Quantities】→【Length】=mm，【temperature】=c，单击【Close】退出窗口，如图15-80所示。

图15-80 单位设置

（7）设置能量方程及湍流模型

①单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→选择【Energy】。

②单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Viscous…】→【Viscous Model】→【K epsi-lon（2eqn）】→【Near Wall Treatment】→选择【Enhanced Wall Treatment】，参数默认，单击【OK】退出窗口，如图15-81所示。

（8）指定材料属性 设置材料属性，单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Materi-als】→【Create/Edit…】，从弹出的对话框中，单击【Fluent Database…】，从弹出的对话框中选择【water liquid（h2 o＜1＞）】，之后单击【Copy】→【Close】关闭窗口，如图15-82所示。单击【Close】关闭【Create/Edit Materials】对话框，如图15-83所示。(www.xing528.com)

（9）分配流体域材料

①单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Cell Zones】，任务面板选择【Zone】→【fau-cet prism cells】→【Type】=fluid，单击【Edit…】→【Fluid】→【Material Name】=water liq-uid，其他默认，单击OK关闭窗口，如图15-84所示。

图15-81 湍流模型设置

图15-82 选择材料

图15-83 创建材料

图15-84 分配流体域材料

②单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Cell Zones】，任务面板选择【Zone】→【fau-cet tet cells】→【Type】=fluid，单击【Edit…】→【Fluid】→【Material Name】=water liquid，其他默认，单击OK关闭窗口。

（10）边界条件

①单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Boundaries…】→【Zone】→【inlet cold】→【Type】→【velocity inlet】→【Edit…】，从弹出的对话框中【Velocity Specification Method】=Components，Z Velocity（m/s）=-0.4，【Turbulent Viscosity Ratio】=4，【Thermal】→【Tem-perature（c）】=26.85，其他默认，单击OK关闭窗口，如图15-85所示。

②单击【Zone】→【inlet hot】→【Type】→【velocity inlet】→【Edit…】，从弹出的对话框中【Velocity Specification Method】=Components，Z Velocity（m/s）=0.5，【Turbulent Viscosity Ratio】=4，【Thermal】→【Temperature（c）】=100，其他默认，单击OK关闭窗口，如图15-86所示。

图15-85 设置冷水入口边界

图15-86 设置热水入口边界

③单击【Zone】→【out mixed】→【Type】→【pressure outlet】→【Edit…】，从弹出的对话框中，【Gauge Pressure（pascal）】=0，【Turbulent Viscosity Ratio】=4，其他默认，单击OK关闭窗口，如图15-87所示。

（11）参考值

①单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Reference Values…】，单击【Reference Val-ues】，参数默认，如图15-88所示。

②菜单栏上单击【File】→【Save Project】，保存项目。

图15-87 设置混合出口边界

图15-88 参考值

（12）求解设置 单击Ribbon功能区【Solving】→【Methods…】→【Gradient】=Green Gauss Node Based，其他默认设置，如图15-89所示。

（13）监控 单击Ribbon功能区【Solving】→【Definitions】→【New】→【Surface Report】→【Facet Maximum…】，从弹出的对话框中，设置【Name】=f-1，选择Report File，Report Plot，【Field Variable】=Temperature，Static Temperature，【Surface】=out mixed，其他默认，单击OK关闭窗口，如图15-90所示。

图15-89 求解方法设置

图15-90 壁面报告监控

（14）初始化 单击Ribbon功能区【Solving】→【Initialization】→【Initialize】初始化。

（15）运行求解 单击Ribbon功能区【Solving】→【Run Calculation】→【Number Of Itera-tions】=100，其他默认，设置完毕以后，单击【Calculate】进行求解，这需要一段时间，请耐心等待，如图15-91所示。

图15-91 求解设置

（16）创建后处理

①菜单栏上单击【File】→【Save Project】，保存项目。

②菜单栏上单击【File】→【Close Fluent】，退出Fluent环境，然后回到Workbench主界面。

③右键单击Fluent Meshing项目单元格的【Solution】→【Transfer Data To New】→【Results】，数据自动导入结果程序。

④右键单击【Results】→【Edit…】进入后处理系统。

⑤插入云图，在工具栏上单击【Contour】并确定，在几何选项中的域【Domains】选择All Domains，位置【Locations】栏后单击…选项，在弹出的位置选择器里选择faucet、inlet cold、inlet hot、out mixed确定。在变量【Variable】栏后单击…选项，在弹出的变量选择器中选择Temperature并确定，其他为默认，单击【Apply】，如图15-92所示；可以看到结果云图，如图15-93所示。

⑥插入流场矢量图，在工具栏上单击【Vector】并默认名确定，在几何选项中的域【Domains】选择All Domains，位置【Locations】栏后单击…选项，在弹出的位置选择器里选择inlet cold、inlet hot、out mixed、faucet prism cap 34faucet tet cells确定，其他为默认，单击【Apply】，可以看到流场矢量图，如图15-94所示。

图15-92 云图显示设置

图15-93 云图显示

图15-94 流场矢量图显示

（17）保存与退出

①退出后处理环境，单击CFD Post主界面的菜单【File】→【Close CFD Post】退出环境返回到Workbench主界面，此时主界面的项目管理区中显示的分析项目均已完成。

②单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

③退出Workbench环境，单击Workbench主界面的菜单【File】→【Exit】退出主界面，完成项目分析。

3.分析点评

点评：本例是水龙头冷热水混合分析，属于内部流动问题，模拟冷热水混合流流动。本实例利用Fluent Meshing模块，网格划分后，通过在Ribbon功能区求解切换选项（Switch to Solution），进入Fluent环境。这样，不仅可以充分运用Fluent Meshing强大的复杂网格划分功能快速划分高质量的网格，还提供了一个进入Fluent的途径。实际上，本实例还是一个三维三通管应用实例。