雾化模拟算例

静电雾化模拟算例

问题描述

本文利用FLUENT的DPM模型对带电液体的雾化情况进行研究。计算区域是一个直径100mm，高70mm的圆柱，简化为二维模型为100mm×70mm的平面。喷头支撑结构分为上下两段，毛细孔径为0.5mm，带电液体从毛细管喷出。

本题涉及到：

一、利用GAMBIT建立静电雾化喷雾器计算模型

（1）在GAMBIT中画出燃烧器的图形；

（2）对各条边定义网格节点的分布；

（3）在面内创建网格；

（4）定义边界类型；

（5）为FLUENT5/6输出网格文件。

二、利用FLUENT-2D求解器进行求解

（1）读入网格文件；

（2）确定长度单位：MM；

（3）确定流体材料及其物理属性；

（4）确定边界类型；

（5）计算初始化并设置监视器；

（6）启用DPM模型，先计算连续相，在利用UDF计算离散相；

（7）利用图形显示方法观察流场、压力场与温度场。

一利用Gambit建立雾化模型

第一步：启动gambit并选定求解器（FLUENT/UNS)

第二步：创建雾化模型

操作：Operation→Tools→Coordinate System

在弹出的Display Grid 对话框中，输入X,Y的值，分别是100，70，点击Apply。

图1 雾化区域计算图

第三步：建立喷嘴

喷嘴支撑结构分为上下两部分，上段尺寸为5mm×5mm，下段为3mm×3mm,喷头直径为0.5mm，长10mm。按照点、线、面的顺序逐步生成，如图2所示。

图2 喷嘴及支撑结构

第三步：划分网格

网格划分采用TGrid类型，喷头附近网格划分密集Intervai size为0.3，四周稀疏Intervai size为1，这样可以减少计算量。划分后的网格如图3所示。

图3 网格划分图

第四步：设置边界类型

操作：ZONES →SPECIFY BOUNDARY TYPES

打开边界类型设置对话框如图4所示．

图4边界条件对话框 图5 边界条件设置

第五步：输出2D 网格

操作：File→Export→Mesh ．．．．．．输出3D 网格，完成Gambit 前处理．

边界名称 边界类型 液体进口inlet2 VELOCITY-INLET

支撑结构及喷头Wall

Wall 接收板Wall Wall

空气入口inlet1 VELOCITY-INLET 空气出口outlet

PRESSURE-OUT

二利用FLUENT-2D求解器进行模拟计算

第一步：与网格相关的操作

1．读入网格文件

操作：File→Read→Case．．．

在读网格文件后，将在FLUENT的console窗口中，报告网格和其他一些相关文件信息．2．检查网格

操作：Grid→Check

网格检查列出网格的最小和最大的x与y值，并报告其他许多关于被检查网格的特征或错误，比如，网格体积必须不为负。

3．网格比例设置

FLUENT的缺省单位是m．若网格是以cm单位建立的，在Scale Grid面板中应选用相应的比例关系。

操作：Grid→Scale．．．

（１）在Units Conversion中的下拉列表中选cm表示网格以厘米生成。

（２）点击Scale．

4．显示网格

操作：Display→Grid．．．

图6 雾化模型的网格显示图

第二步：设置求解模型

1．定义计算域为2D，且保持缺省的求解器

操作：Define→Models→Solver．．．打开“Solver”对话框如图7所示．

图7 求解器对话框

2．空气相选用层流模型

操作：Define→Models→Viscous．．．

打开“Viscous Mode”对话框如图8所示．

图8 计算模型对话框

第三步：流体材料设置

操作：Define→Materials．．．

选择理想气体参数，点击Close关闭此面板。

图9 材料对话框

第四步：边界条件设置

1．打开边界条件面板

操作：Define→Boundary Conditions．．．

打开“Boundary Conditions”对话框如图10所示．

图10 边界条件对话框

1.设定空气进口inlet1的边界条件

如图11所示，赋予如“Velocity Inlet”面板所示的进口边界条件．

图11空气速度进口边界条件

4．设定空气出口pressureoutlet边界条件，见图12所示．

图12 压力出口边界条件

5. 设定支撑结构和喷嘴外壁的边界条件。接收板Wall2的设定同上。

图13 壁面边界条件

第五步：初始化并求解

1．设定初场

操作：Sovle→Initialize→Initialize．．．见图14所示．

图14求解初始化（１）在Computer From下拉列表中选择inlet1．

（2）点击Init设定变量初值，然后关闭面板．

2．设定松弛因子

操作：Solve→Controls→Solution．．．保持默认值。

图15求解控制对话框3．在计算期间打开残差的图形监视图

操作：Solve→Monitors→Residual．．．见图16所示．

图16残差监视对话框

4．保存case文件

操作：File→Write→Case．．．

(1)保持Write Binary Files键打开，以生成一个较小的未格式化的二进制文件；

(2)在Case File文本框中，键入文件名字；

(3) 点击OK．

5．进行迭代计算

操作：Solve→Iterate．．．见图17所示．

图17迭代对话框

6．保存case和date文件

操作：File→Write→Case&Date．．．

此时，连续相的计算以完成，接下来进行离散相，即带电液体的计算。第六步利用UDF加入源项

1. 编译程序

操作：Define→User defined→Functions→Interpreted……

点击Browse选择程序所在的文件，其他保持默认值，点击Interpret。

图18 编译窗口

程序如下：

#include "udf.h"

#include "dpm.h"

#include q1.5e-15

DEFINE_DPM_SOURCE(ele_dpm,c,t,source,strength,tp)

{

real E;

real source;

real q;

source=-q*E;

}

2.自定义标量

操作：Define→User defined→scalars…..

在Number of User-Defined Scalars中选择2，如图19所示。

图19 自定义标量窗口

七．启用DPM模型计算离散相

1. 启用DPM模型

操作：Define→models→Discrete Phase Model….设置如图20所示。

图20 DPM模型设置

点击Injections…，在弹出的Injections窗口中，选中Injection-0，点击Set，如图21。

图21 Injections窗口图22 设置窗口

在弹出的Set Injection Properties窗口中，在Release From Surfaces下拉菜单中选择inlet2，设置如图23。

图23 参数设置

2. 材料设置

操作：Define→Materials….

在材料对话框中选择water-liquid，其参数值保持默认值。

3.边界条件设置

操作：Define→Boundary Conditions．．．

(1) 设置喷口inlet2的边界条件

在打开的“Boundary Conditions”对话框中选择inlet2，点击“set”，在弹出的Velecity Inlet 窗口中，点击UDS，设置如图24，点击DPM，设置如图25。

图24 自定义标量设置图25 DPM设置

(2) 出口条件设置

在打开的“Boundary Conditions”对话框中选择outlet，点击“set”，在弹出的Pressure Outlet 窗口中，点击UDS，设置如图26，点击DPM，设置如图27.

图26 UDS设置图27 DPM设置

(3) 支撑结构及接收板的边界条件设置

在打开的“Boundary Conditions”对话框中选择Wall1，点击“set”，在弹出的Wall窗口中，点击DPM，设置如图28.

图28 Wall设置窗口

Wall2 的设置同上，只是在Boundary Cond Type下拉菜单中选择trap。

4.设置松弛因子

操作：Solve→Controls→Solution．．保持默认值。

图29 求解控制对话框

注意：离散相不用再进行初始化了。

5．在计算期间打开残差的图形监视图操作：Solve→Monitors→Residual．．．6．保存case文件操作：File→Write→Case．．

7．进行迭代计算操作：Solve→Iterate．

图30 迭代计算

8．保存case和date文件

操作：File→Write→Case&Date．．．

计算结果收敛后，查看速度的等高线来检查当前解的情况。

操作：Display→Contours．．．见图31所示。

图31 等高线对话框

(1)在Contours Of下拉列表中选择Velocity和Velocity Magnitude；

(2)按Display．

图32 速度等高线