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排气管流热耦合仿真分析-共轭传热

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发表时间:2025-08-12 15:57
一、概述
1.目的
本文针对排气管流体流动与传热分析问题进行仿真分析,就分析设置与求解过程进行详细的描述。排气管在汽车行业中非常常见,为了保证涉及的合理性,通过仿真分析预测排气管的流场与温度场分布。
2.技术内容
  • FluentMeshing网格划分
    • 导入几何
    • 面网格划分
    • 出入口
    • 构件流体区域
    • 创建体网格
  • 设置材料属性与边界条件
  • 计算求解
  • 结果后处理
3.前提条件
  • 假设您已经完成Fluent基础内容
  • 假设您已熟悉Fluent基本模块与基础操作
  • 在本例中,一些分析设置过程不再一一介绍。
二、仿真分析过程
1.问题描述
排气管道介质为空气,通过三个入口进气,进气温度为925K,进气速度为10m/s,一个出口,出口压力为0Pa。考虑管道与流体之间的热传递。
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2.设置与求解
针对排气管流体流动与传热仿真分析,共涉及以下10个过程:
  1. 模型建立
  2. 网格划分
  3. 通用设置
  4. 求解设置
  5. 湍流模型
  6. 材料
  7. 区域条件
  8. 边界条件
  9. 求解
  10. 结果后处理
3.模型建立
利用spaceclaim导入几何模型manifold.scdoc,检查模型是否正确。在此不进行流体域的抽取,本例流体域抽取与边界组件定义采用FluentMeshing进行。
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4.网格划分
  • 导入模型
打开Fluent软件,进入FluentMeshing模块,选择单位制为mm,导入几何模型manifold.scdoc,如图。
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  • 局部尺寸定义
导入几何模型后,程序进入局部尺寸定义界面,允许用户进行局部尺寸的控制,在本例计算中,不进行局部尺寸的控制,选择默认的“no”,选择页面下方的“Update”即可。
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  • 表面网格划分
在此界面,进行表面网格尺寸控制,对于本例分析,采用默认设置即可。
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  • 构建计算域
进入“Describle Geometry”截面,用于定义计算域模型建立,由于在本例中,我们需要根据几何模型构件流体域,并且添加出入口表面,因此,我们保持默认设置即可。
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为了流体域的抽取,需要对几何开口区域进行封闭,选择“Enclose Fluid Regions(Capping)”进行capping构建。
  • 创建入口表面
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  • 创建出口表面
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创建完成出入口边界后,进行流体域创建,进入“Create Regions”,采用默认设置,选择“Create Regions”即可。
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  • 更新区域
选择“Update Regions”,界面显示当前定义的区域,保持默认设置,选择“Update Regions”即可。
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  • 添加边界层
选择“Add Bounday Layer”进入边界层定义,保持默认设置,执行“Add Bounday Layer”即可。
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  • 生成体网格
选择“Generate the Volume Mesh”,保持默认设置,执行“Generate the Volume Mesh”即可。
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  • 网格示意图
最终网格如图所示。
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  • 转换到求解模块
选择“Switch to Solution mode”,切换界面到求解模块。
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5.通用设置
修改长度单位为mm。
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6.求解设置
选择稳态、压力基求解器。
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7.能量方程
打开能量方程。
8.湍流模型
湍流模型选择SST K-Omega。
9.材料
空气材料属性采用默认值,不进行修改。
创建铸铁材料,如下:
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10.区域条件
流体域材料选择air,结构域材料选择cast-iron,如图。
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11.边界条件
  • 入口边界条件
入口定义速度边界条件,入口速度为10m/s,水力直径为40mm,温度为925K,inlet、inlet1与inlet2设置完全一致,此处不在赘述。
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  • 出口边界条件
出口采用压力边界,压力为0Pa,水力直径为40mm。
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  • 传热边界
在wall下,选择solid_up:1,进入边界界面,选择“Convection”对流边界,换热系数设置为10W/(㎡K),环境温度设置为300K,如图。
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添加相同的边界条件至in1、in2、in3与out1,此处不在赘述。换热边界如图所示。
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12.求解
  • 求解方法保持默认设置,不进行修改。
  • 定义出口速度监测
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  • 监测入口质量流率
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  • 监测所有质量流率
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  • 监测质量平衡
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  • 初始化
选择标准初始化进行初始化。
  • 计算迭代步设置
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  • 保存并计算
13.结果后处理
  • 质量流率平衡曲线
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  • 流线
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  • 创建ISO-clip
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  • 创建出口速度云图
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  • 通过几何模型创建iso-surface、iso-clip
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  • 创建温度云图
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三、小结
至此,流体流动过程中留热耦合计算过程计算结束,我们系统介绍了几何模型的导入、流体域计算模型的建立、网格划分、求解设置、求解与结果后处理等功能,对于同类型的流热耦合计算给出了参考。


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