【正文】 FLUENT5/6。這個步驟是不可缺少的，它相當(dāng)于給 GAMBIT 定義了一個環(huán)境變量，設(shè)置完之后，定義的邊界條件類型和 FLUENT5 中的邊界類型相對應(yīng)。 2． 將噴管入口設(shè)為壓力入口（ pressure_inlet）。 3． 將噴管出口設(shè)為壓力出口（ pressure_outlet）。 4． 將對稱軸設(shè)為 （ axis） 。 5． 將其余面設(shè)為壁面（ wall）。 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 37 51 圖 邊界條件的定義 運用 FLUENT 進行兩相流模擬 兩相流物理模型的選擇與簡化 本課題的物理模型為含鋁復(fù)合推進劑噴管內(nèi)的兩相流流動，已經(jīng)存在的實驗數(shù)據(jù)表明：雖然質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可以達到 30％， 32OAl 粒子的 體積分?jǐn)?shù)卻在 5％以下， 由 節(jié)的知識知道，可以將本次課題的物理模型采用離散相模型來處理 。 FLUENT 提供的模型模擬能力是很強大的。但在本次畢業(yè)設(shè)計中，為簡化過程以及數(shù)據(jù)的缺乏，對 該物理模型 做了一些簡化： 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 38 51 1． 在離散相粒子的流動過程中忽略了微粒的碰撞以及相互作用、沉積與沖刷等作用。 2． 用五個不連續(xù)的微粒直徑組代替連續(xù)的微粒直徑分布。 該 32OAl 顆粒直徑都在 1－ 10 微米之間，所以可以看成亞觀尺寸微粒來處理 ，可參考表 。 3．工質(zhì)（推進劑產(chǎn)物）是勻相的，并且其組成在整個發(fā)動機燃燒室和噴管中都保持不變； 4．工質(zhì)遵循理想氣體定律； 5．在穿過發(fā)動機壁方向無傳熱過程，因而是絕熱流； 6．燃燒室內(nèi)的燃?xì)馓幱诨瘜W(xué)平衡狀態(tài)，并且在噴管內(nèi)不發(fā)生化學(xué)平衡的轉(zhuǎn)移（模型中燃?xì)庥每蓧嚎s的空氣代替 ）； 啟動 FLUENT 單精度和雙精度解法器 在所有計算機操作系統(tǒng)上 FLUENT 都包含這兩個解法器（ d 和 ddp）。大多數(shù)情況下，單精度解法器高效準(zhǔn)確，但是對于某些問題使用雙精度解法器更合適。 根據(jù)你要解決的問題和 GAMBIT 生成的網(wǎng)格類型（二維 /三維），選擇2d/2ddp/3d/3ddp，本次畢業(yè)設(shè)計選擇 2d（二維單精度）。 選擇解的格式 FLUENT 提供三種不同的解格式：分離解；隱式耦合解；顯式耦合解。三種解法都可以在很大流動范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確的結(jié)果，但是它們也各有優(yōu)缺點。分離解和耦合解方法的區(qū)別在于，連續(xù) 性方程、動量方程、能量方程以及組分方程的解的步驟不同，分離解是按順序解，耦合解是同時解。兩種解法都是最后解附加的標(biāo)量方程（比如：湍流或輻射） 隱式解法和顯式解法的區(qū)別在于線化耦合方程的海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 39 51 方式不同。本次畢業(yè)設(shè)計選擇耦合隱式解（ Segregated/implicit），并選擇軸對稱。 檢查網(wǎng)格 網(wǎng)格檢查最容易出的問題是網(wǎng)格體積為負(fù)數(shù)。如果最小體積是負(fù)數(shù)你就需要修復(fù)網(wǎng)格以減少解域的非物理離散。 定義物理模型 首先要加入能量方程。再次，要設(shè)定粘性模型。本例選擇 k－ epsilon 即可。 然后是設(shè)定離散相，該項為模擬兩 相流數(shù)值計算的關(guān)鍵設(shè)置選項。 圖 離散相物理模型的定義 ? 考慮顆粒熱輻射 如果要考慮顆粒的熱輻射效應(yīng)，用戶必須在離散相模型面板里激活顆粒輻射選項（ Particle Radiation Interaction）。用戶還必須設(shè)定顆粒屬性的其它性質(zhì)（發(fā)射海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 40 51 率、散射率）。只有選擇了 模型或離散發(fā)射模型時才具有此選項。 ? 考慮顆粒的熱泳力 如果要考慮顆粒的熱泳力，用戶必須在離散相模型面板里激活顆粒輻射選項 ? 考慮顆粒的布朗運動 對于層流中的亞觀粒子，用戶可能希望考慮布朗運動對顆粒軌道的影響。若希望如此，在離散相模型面板（ Discrete Phase Model panel.）里激活布朗運動選項（ Brownian Motion）即可 3。當(dāng)考慮布朗運動時，用戶最好在 Drag Parameters 屬性框里的下拉框 Drag Law 中選擇 StokesCunningham 曳力定律選項。 ? 考慮顆粒的 Saffman 升力 對于亞觀粒子 ，用戶也可以模擬由于剪切力所帶來的升力對顆粒軌道的影響。若希望如此，請在 Discrete Phase Model panel 面板中激活 Saffman LiftForce 選項。 ? 顆粒曳力的選項 在 Drag Parameters 屬性框中的 Drag Law 下拉框中可以選擇五種顆粒曳力定律。其中 spherical,nonspherical, StokesCunningham, 以及 highMachnumber 曳力定律總是可選的，但 dynamicdrag 定律只有在用戶計算非穩(wěn)態(tài)顆粒跟蹤時選擇了某種液滴破碎模型之后才是可選的。在這里我們選擇 highMachnumber。 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 41 51 圖 粒子射入控制 使用 Set Injection Properties pane 面板（圖 ）來設(shè)定射流源的屬性。 在下拉列表框中選定射流源類型 surface。 在設(shè)定材料性質(zhì)之后 選擇離散相為 32OAl 并定義顆粒的初始條件 。 設(shè)定材料性質(zhì) 對于本次畢業(yè)設(shè)計所要解決的問題， 首先 需要對空氣的性質(zhì)做一些修改：密度為 ideal_gas（即理想氣體）， 因為在本例中，空氣是可壓縮的。其次是設(shè)定離散相粒子的設(shè)定 。 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 42 51 圖 材料性質(zhì)的定義 指定邊界條件 設(shè)定壓力 入口： 溫度 （總溫） 輸入 3000k 壓強 （總壓） 輸入 6000000pa 粒子也是在這個面上被釋放出去。 設(shè)定壓力出口： 出口壓力輸入： 101325pa 溫度輸入： 300k 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 43 51 粒子穿越形式為逃逸（ escape）。 設(shè)定壁面： 粒子穿越形式改為 trap， 其余面的設(shè)定取默認(rèn)值。 圖 壓力入口邊界條件設(shè)置 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 44 51 圖 壓力出口邊界條件設(shè)置 圖 壁面粒子穿越形式設(shè)置 調(diào)整解的控制 你可以改變亞松弛因子、多網(wǎng)格參數(shù)以及其它流動參數(shù)的默認(rèn)值。 還可以調(diào)節(jié)解的精度，本次畢業(yè)設(shè)計取得是 的 10e4。 改限定值 我們需要將最大壓強值從 5000000 改為 10000000，因為初始壓強達到6000000。其余限定值不變。 流場初始化 迭代之前你需要初始化流場提供一個初始解。你可以從一個或多個邊界條件算出初始解，也可以分別輸入流場的數(shù)值，相應(yīng)菜單為 Solve/Initialize/Initialize...。初始值可以以某個面的參數(shù)為所有網(wǎng)格初始化，也可以自己輸入 。 初始化數(shù)值： 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 45 51 壓強 :6000000pa。 x 軸初速 :100m/s。 溫度 :3000K 現(xiàn)在可以迭代了。迭代開始之后，你應(yīng)該察看圖形窗口中的殘數(shù)圖。迭代之后，你的圖形窗口應(yīng)該像下圖一樣。殘數(shù)由上向下逐漸減少，這是很好的標(biāo)志。對于不同的機器殘數(shù)只會有稍微的不同，所以你的圖形不一定和下圖完全相同。 圖 迭代殘 數(shù) 圖 結(jié)果圖示 UDF 的使用 FLUENT 中出口比沖的計算，本次課題使用到 UDFs 來實現(xiàn)。 include /*頭文件 */ DEFINE_ON_DEMAND(on_demand_F) /*宏定義 */ { real velocity,flux,F=0。 /*定義速度、流量和推力變量 */ Thread *t。 /*定義指向出口的指針 */ face_t f。 /*定義面變量 */ Domain *domain。 /*定義計算區(qū)域指針 */ 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 46 51 domain=Get_Domain(1)。 /*獲取指針地址 */ t=Lookup_Thread(domain,7)。 /*獲取出口指針地址 */ begin_f_loop(f, t) /*出口面循環(huán)開始 */ { velocity=F_U(f,t)。 /*獲得網(wǎng)格點速度 */ flux=F_FLUX(f,t)*2*。 /*獲得網(wǎng)格點的流量 */ F+=velocity*flux。 /*計算推力 */ } end_f_loop(f, t) /*出口面循環(huán)結(jié)束 */ printf(F is %g\n,F)。 } 通過該 UDF 函數(shù)在用戶交互界面輸出推力的大小。如圖 所示。 圖 利用 UDF 函數(shù)計算出比沖 結(jié)果比較分析 模擬計算結(jié)果圖形顯示 當(dāng)六條曲線全部下降到 10e4 以下時，迭代停止。然后我們就可以查看結(jié)果了。 FLUENT 提供的圖形工具可以使你很方便的處理 CFD 求解結(jié)果中包含的信息并觀察相應(yīng)的結(jié)果 ,下面的圖像結(jié)果包括壓強（靜壓 /總壓）、密度、溫 度（靜溫 /總海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 47 51 溫）、速度、馬赫數(shù)等等。 圖 壓強分布圖 圖 密度分布圖 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 48 51 圖 速度分布圖 圖 溫度分布圖 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 49 51 圖 馬赫數(shù)分布圖 圖 四種不同直徑 離散相顆粒的運動軌跡 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 50 51 圖 顆粒軌跡運動的局部放大圖像 圖 相同燃?xì)饧儦庀嗔髋c兩相流等溫線對比圖 海軍航空工程學(xué)院畢業(yè)論文 第 頁 共 頁 51 51 模擬計算結(jié)果分析 我們知道，對于亞音速氣流，管道截面積減小時，壓強、密度和溫度隨之減小，速度和馬赫數(shù)隨之增大；而管道截面積增大時，壓強、密度和溫度隨之增大，速度和馬赫數(shù)隨之減小。超音速氣流的馬赫數(shù) 1?M ，結(jié)果恰好與亞 音速的相反，在收縮形管道中沿著流動方向，壓強、密度和溫度增大，速度和馬赫數(shù)減小，氣流做減速增壓運動；在擴張形管道中沿著流動方向，壓強、密度和溫度減小，速度和馬赫數(shù)增大，氣流在管內(nèi)作加速降壓運動。 結(jié)合前面理論 以及課題描述 ，我們來簡要分析一下這些圖所示結(jié)果是否合理。 我們看圖 ,在噴管里壓強的分布是一直下降的；圖 所示噴管內(nèi)溫度也在一直下降；圖 所示噴管內(nèi)速度一直在增加。在喉部前，氣流是亞音速，截面積的減小會使氣流加速，同時，壓強減小，溫度降低。氣流到達喉部時達到音速，之后以超音速流動，而氣 動參數(shù)的變化跟亞音速是相反的，即截面積的增大才會使氣流加速，壓強減小，溫度降低?？偟男Ч褪菤饬饕恢奔铀伲瑝簭娨恢睖p小，溫度降低。 在噴管喉部的上游，氣相和凝相的流動開始基本上滿足平衡 流模型。到某一位置后，兩相流動開始偏離平衡模型。這時 氣相的流線和凝相微粒的流線不再一致。由于慣性，凝相微粒的流線在喉部無法做到貼壁折轉(zhuǎn)，從而在壁面附近形成無微粒區(qū)域 。而相對直徑較大的粒子在由于慣性更大，在壁面附近形成的無微粒區(qū)域更加明顯一些，如圖 ，圖 所示 。 與純氣相流的等溫線分布相比，兩相流情況下相同燃?xì)鉁囟鹊?等值線不僅分布位置移向噴管下游，而且形狀也有較大差別。固體顆粒在隨燃?xì)庋貒姽芰鲃拥倪^程中，由于慣性作用，進入收斂段以后逐漸向軸線附近聚集，導(dǎo)致喉部軸線附近固體顆粒對燃?xì)獾膫鳠崃吭黾?，因此造?軸線附近溫度的升高。 如圖 所示。