FLUENT可以使用組分輸運(yùn)模型來模擬濕空氣，但這只是組分輸運(yùn)模型的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用，實(shí)際上對(duì)組分輸運(yùn)模型應(yīng)用比較多的是燃燒和化學(xué)反應(yīng)問題。本文主要通過組分輸運(yùn)模型模擬濕空氣問題來講解該模型的基本使用方法。

 

1 概念介紹

什么叫做組分輸運(yùn)？我們通過和多相流概念對(duì)比來進(jìn)行理解，我們知道多相流是指相態(tài)不同（氣、液、固）的流體或相同相態(tài)但運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同的流體共同流動(dòng)，對(duì)于這樣的問題我們使用多相流模型可以很清晰的查看流體的相界面分布情況。但是如果多種流體相態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都相同，呈現(xiàn)出一種混合狀態(tài)比如空氣，不存在相界面，我們應(yīng)該如何模擬呢？-使用組分輸運(yùn)模型，所以組分輸運(yùn)模型實(shí)際上是模擬混合物各組分之間或與其他相之間的相互作用。

對(duì)于空氣，其由氧氣、氮?dú)狻⑺魵獾葰怏w組成，如果我們只想了解其中水蒸氣各物理場(chǎng)分布情況，就可以使用組分輸運(yùn)模型。本例用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來簡(jiǎn)要描述Fluent組分輸運(yùn)模型模擬濕空氣問題。

2 模型描述

本例的模型較為簡(jiǎn)單，如圖所示。計(jì)算域高0.225m，寬1.8m。左端有一0.005m濕空氣進(jìn)口，空氣溫度為330K，相對(duì)濕度為50%，速度為0.5m/s，計(jì)算域右端為壓力出口邊界，上方為Wall邊界，溫度為300K，下方為axis邊界。濕空氣從左端進(jìn)口流入計(jì)算域內(nèi)，經(jīng)過冷壁面，空氣相對(duì)濕度會(huì)升高。

3 導(dǎo)入網(wǎng)格

打開fluent，導(dǎo)入本文末尾鏈接資源內(nèi)的網(wǎng)格模型。

 

導(dǎo)入完成后控制面板會(huì)出現(xiàn)warning信息：WARNING: The mesh contains high aspect ratio quadrilateral, hexahedral, or polyhedral cells。提示網(wǎng)格縱橫比過大，并給出了解決辦法，對(duì)于本例，縱橫比過大不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，因此不必進(jìn)行操作。

注：一般情形下，網(wǎng)格縱橫比越接近1越好，主體內(nèi)網(wǎng)格縱橫比不超過5，邊界層內(nèi)縱橫比不超過100，網(wǎng)格縱橫比會(huì)影響計(jì)算收斂性，是判斷網(wǎng)格質(zhì)量的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

 

4 Scale網(wǎng)格尺寸

Scale檢查網(wǎng)格尺寸。如圖所示。

確保計(jì)算域尺寸是我們所需要的。本例中x方向尺寸0~1.8m，y方向0~0.225m。

5  設(shè)置求解器

選擇壓力基(pressure-based)求解器，同時(shí)選擇穩(wěn)態(tài)模擬，不考慮考慮重力。設(shè)置2D Space為Axisymmetric。

注： 2D Space的設(shè)置可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算量，加快收斂，在上一篇文章中進(jìn)行了詳細(xì)的講解，感興趣的可以查看文章《14.FLUENT中2D Space設(shè)置》。

 

6 設(shè)置計(jì)算模型

流動(dòng)為單相流動(dòng)層流，打開能量方程，同時(shí)打開Species Transport模型。

Mixture Material選項(xiàng)下為混合物物質(zhì)屬性，此處可保持默認(rèn)，稍后在Material設(shè)置時(shí)進(jìn)行修改；Number of Volumetric Species表示混合物組分個(gè)數(shù)，本文只考慮空氣中的水蒸氣相對(duì)濕度，因此組分?jǐn)?shù)為2，分別為空氣和水蒸氣。

 

7 材料設(shè)置

打開組分輸運(yùn)模型后，此時(shí)材料設(shè)置欄會(huì)出現(xiàn)Mixture

雙擊Mixture下的mixture-templat，即上一步設(shè)置中的混合物屬性，彈出下圖，可在Name中更改名稱為wet-air，在Mixture Species欄單擊Edit

通過Selected Species下的Add和Remove，選擇h2o和air。注意，此處的h2o為水蒸氣。單擊OK，之后單擊Change/Create，其他材料屬性保持默認(rèn)。

8 設(shè)置邊界條件

in：采用Velocity-inlet邊界，速度為0.5m/s，溫度330K，Species欄下的Species Mass Fractions組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.055，表示空氣中水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.055，即相對(duì)濕度50%。(相對(duì)濕度及水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的轉(zhuǎn)換，可查詢相關(guān)公式)

out：設(shè)置為Pressure-outlet，回流溫度設(shè)置為330K，組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.055，其余保持默認(rèn)

sys：設(shè)置axis邊界

wall：wall邊界，溫度為320K，Species設(shè)置為Zero Diffusive Flux

wall-in：wall邊界，Temperature欄選擇Heat Flux，設(shè)置為0，Species設(shè)置為Zero Diffusive Flux

9 求解方法

Solution Controls保持默認(rèn)

10  初始化

選擇標(biāo)準(zhǔn)初始化，Compute from選擇in邊界，將h2o的質(zhì)量分?jǐn)?shù)改為0.0897，單擊Initialize，完成初始化

11  動(dòng)畫設(shè)置

Calculation Activities-Solution Animations，單擊Create/Edit，彈出下圖

單擊Define

選擇PPM Image，window設(shè)置為2，Storage Directory選擇合適的存儲(chǔ)位置，單擊Display Type下的Contours

選擇Species下的Relative Humidity（相對(duì)濕度），單擊Display，在界面顯示出初始相對(duì)濕度云圖

12 計(jì)算設(shè)置

13 相對(duì)濕度動(dòng)畫

 

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