本案例利用 FLUENT 计算 Tesla 阀的内部流场特征。 Tesla 阀是一种没有运动部件的微型阀门,通常用于微机电系统,其操作原理基于流体流动的方向。在相同的压力降下,正向流动的流量大于逆向流动的流量,换句话说,在相同流量情况下,正向压降要远小于逆向压降。本案例的研究正是基于此原理,研究的阀门型式如图所示,给定正向或反向流动速度为 10m/s ,考察在此速度条件下,正向流动与逆向流动的压力降。 案例采用的模型几何尺寸如图所示,采用 3D 模型进行计算,流动介质为水,其密度为 1000kg/m 3 ,粘度 0.001Pa.s 。 流动雷诺数: 计算采用层流模型。阀门的几何模型如图所示(图中单位为微米)。 三维几何模型如图所示。
案例网格模型如图所示。总网格数量 93482 。 Step 1 :启动 FLUENT
Step 2 :缩放网格按以下步骤操作:
Scale Mesh 对话框显示的模型尺寸范围如下图所示。可以看到模型尺寸与实际几何尺寸存在偏差。实际几何 Z 方向厚度为 120 微米,而对话框显示尺寸为 0.12m ,相差了 1000 倍,在 X , Y 方向同样如此,因此需要对模型的 X,Y,Z 三方向同时缩小 1000 倍。
缩放后几何尺寸如图所示。可以更改View Length Unit In 下拉框中的选项为 mm,这样看起来更顺眼一些,当然也可以不选,此选项只是方便查看而已,并不会影响几何的尺寸。 Step 3 :检查网格按以下步骤操作:
点选此按钮后在 TUI 窗口出现如图所示提示。重点关注 minimum volume 的值,确保该值为正。 Step 4 : General 面板其他设置其他采用默认设置。 Step 5 : Models 设置本案例湍流计算采用默认的层流模型,不考虑温度变化,没有其他的额外模型需要选择,因此该模型节点无需进行额外设置。 Step 6 : Material 设置案例采用的流动介质为液态水,密度为 1000kg/m 3 ,粘度为 0.001Pa.s 。
Step 7 : Cell Zone Conditions 设置设置计算域中介质属性。
Step 8 : Boundary Conditions 设置设置步骤:
Step 9 : Solution Methods设置步骤包括:
Step 10 : Monitors 设置设置残差精度标准。
Step 11 : Solution Initialization鼠标单击模型树节点 Solution Initialization ,采用默认的 Hybrid Initialization 进行初始化,点击右侧设置面板中的 Initialize 按钮进行初始化。如图所示。 Step 12 : Run Calculation 及文件保存点击模型树节点 Run Calculation ,设置右侧面板中 Number of Iterations 为 500 ,点击按钮 Calculate 进行计算。 计算完毕后,利用菜单 【 File 】 > 【 Write 】 > 【 Case & data… 】 保存工程文件为 Tesla_forward.cas 及 Tesla_forward.dat 。 Step 13 :修改边界条件利用逆流边界进行设置计算。设置 inflow 为压力出口, outflow 为速度入口。
Step 14 : Run Calculations 及文件保存点击模型树节点 Run Calculation ,设置右侧面板中 Number of Iterations 为 500 ,点击按钮 Calculate 进行计算。 计算完毕后,利用菜单【 File 】 > 【 Write 】 > 【 Case & data… 】 保存工程文件为 Tesla_backward.cas及 Tesla_backward.dat 。 Step 15 :启动 CFD-POST 并导入数据本案例涉及到两个 case 的比较,因此在 CFD-POST 中进行。
结果文件导入过程如 图 2- 57 所示。文件导入后, CFD-POST 会自动将两个 CASE 并排放置在图形窗口中,在进行多案例比较时非常方便。 Step 16 :创建截面创建中面观察比较两个 Case 的流场分布。该中面为 z=0.06mm
显示窗口显示两种不同流动方向条件下的速度分布。( a )为正向流动条件下的流动速度分布,( b )为逆向流动条件下的速度分布。 Step 17 :压降分析分析两种不同流动条件下各自的压降。
此表达式意义为:出口压力与入口压力的差值。
此时 B1 单元格内容为 -9.87e4Pa ,此表示正向流动系统压降为 9.87e4Pa 。
此时 B1 单元格显示内容为 1.43e5Pa ,此为逆向流动系统压降。 图中 逆向流动系统 压降 两种不同流动方式的系统压降相差较大,约为 1.43e5-9.87e4=44300Pa 。 注:本案例取自我近期即将出版的新书,先剧透一下。OpenFOAM有毒,最近更新了两篇OpenFOAM的文章,然后一大群人取消了关注。 |
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