旋风分离器的建模及fluent模拟
基于Fluent的联合收割机旋风分离筒气固两相流模拟
基于Fluent的联合收割机旋风分离筒气固两相流模拟
鞠易甫;施伟辰
【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2017(000)006
【摘要】本文主要设计一种联合收割机内的旋风分离筒,使其实现小麦、稻谷和油菜的清选.以RNG k-ε模型分析湍流流场.使用Fluent的DPM模型进行分析.数值模拟实验得到结论:当入口速度为4m/s,排杂口表压为-2 000 Pa时,小麦清选效果最好;当入口速度为4 m/s,排杂口表压为-2400 Pa,稻谷清选效果最好;当入口速度为4m/s,排杂口表压为-1 000 Pa,油菜清选效果最好.最后改变小麦杂质的直径和密度,再次进行清选,观察发现当直径为2～3mm,密度为200～350 kg/m3时,小麦的籽粒和杂质清选效果较好.
【总页数】3页(P155-157)
【作者】鞠易甫;施伟辰
【作者单位】上海海事大学物流工程学院,上海201306;上海海事大学物流工程学院,上海201306
【正文语种】中文
【中图分类】S225.3
【相关文献】
1.基于 FLUENT 气固两相流数值模拟与分析 [J], 高德真;李佳璐;李德臣;刘姝;王晓宁
2.螺旋式旋风分离器气-固两相流的数值模拟 [J], 张泽虎;高广德;何璐璐
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循环旋风分离器内流场的数值模拟
循环旋风分离器内流场的数值模拟孙兰义3 崔铭伟 李 军 刘雪暖 李青松(中国石油大学)摘 要 采用CF D模拟软件Fluent6.2提供的雷诺应力模型(RS M)对循环旋风分离器内的流场进行了数值模拟研究,并与实验结果进行了比较,模拟结果与实验结果基本吻合。
结果表明,循环旋风分离器特殊的流路设计,提高了内部流场的对称性,规整了气流,减少了紊流的产生,降低了设备的压降。
对局部涡的分析,为进一步了解循环旋风分离器的分离机制和优化结构提供了参考依据。
关键词 循环旋风分离器 数值模拟 RS M模型 三维流场中图分类号 T Q05118+4 文献标识码 A 文章编号 025426094(2009)0120032206 近年来,国内的炼油企业纷纷建设加氢裂化和加氢精制装置,以满足经济迅速发展的需要。
加氢装置重复使用的循环氢气必须进行脱硫,以保持反应系统的氢分压,减少设备及高压系统的负荷和腐蚀。
循环氢脱硫是在系统压力下(通常为7.0～16.0MPa),使循环氢与贫胺液进行接触,以脱除循环氢气中的硫化氢。
为了降低系统的能耗,就必须提高贫胺液的浓度,并增加脱硫负荷。
这样,就应严格控制与胺液接触前的循环氢中液滴携带量,防止循环氢与胺液接触时起泡。
循环旋风分离器在工艺流程中的作用就是除去循环氢气体中的液滴等杂质,保证循环氢氨液洗涤脱硫塔的正常操作,减少其操作负荷以及保护加氢装置的心脏设备———循环氢压缩机。
循环旋风分离器特殊的外循环设计以及独特的内件设计使之成为众多气液分离设备中的佼佼者。
为深入了解分离器内流体的流动情况,笔者用CF D软件Fluent6.2模拟循环旋风分离器内的三维流场,并与实验数据进行对比,计算数据和实验数据基本吻合,为进一步了解循环旋风分离器的分离机制以及进一步优化结构提供了参考依据。
1 湍流模型的选择工程上常用的湍流模型主要有[1,2]:k2ε双方程模型、修正的k2ε双方程模型(RNG)、雷诺应力模型(RS M)、大涡模拟(LES)等。
旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析共3篇
旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析共3篇旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析1旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析旋风分离器是一种广泛应用于化工、环保、电力等领域的气固分离设备，其利用离心力将气固两相流中的颗粒物分离出来，一般被用作除尘和粉尘回收设备。
本文将介绍旋风分离器的气固两相流数值模拟及性能分析。
气固两相流是指气体与固体颗粒混合物流动的状态。
旋风分离器中的气固两相流在进入设备后，经过导流装置后便会进入旋风筒，此时气固两相流呈螺旋上升流动状态，颗粒物受到离心力的作用被抛向旋风筒壁，而气体则从旋风筒顶部中心脱离，从出口排放。
因此，旋风分离器气固两相流的流体物理特性显得尤为重要。
本文采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对旋风分离器气固两相流进行数值模拟。
对于气体流动部分，采用了二维轴对称的控制方程式，包括连续性方程、动量方程和能量方程，而对于颗粒物流动部分，采用了颗粒物轨迹模型（Particle Tracking Model，PTM）。
在数值模拟过程中，采用了FLUENT软件进行求解，其中的数值算法采用双重电子数法（Electron Electrostatic Force Field，E3F2）。
数值模拟结果显示，在旋风分离器中，气体的流速主要集中在筒壁附近，而在离筒中心较远的地方，则流速较慢，颗粒物则以螺旋线的方式向旋风筒壁移动，并沿着筒壁向下运动。
颗粒物在旋风筒中受到离心力的作用后，其分布状态将随着离心力的变化而变化，最终沉积在筒壁处。
数值模拟结果还表明，旋风分离器的分离效率随着旋风筒直径的增加而增加。
为了验证数值模拟结果的可信度，实验室制作了一个小型旋风分离器进行了实验研究。
实验结果表明，数值模拟与实验结果相比较为一致，通过数值模拟可以较好地描述旋风分离器中气固两相流动的情况并用于性能预测。
综合来看，数值模拟是一种较为有效的旋风分离器气固两相流性能分析方法，可以较好地预测旋风分离器的分离效率和颗粒物的分布状态，为旋风分离器的设计和优化提供了有力支持综上所述，本文利用数值模拟方法和实验研究相结合的方式，对旋风分离器的气固两相流动性能进行了分析。
Fluent-旋风分离器内流场模拟
一 问题说明
如图所示为一个旋风分离器结构尺 寸示意图，坐标原点在灰斗最下部中心， 图中几何参数如下:a=95mm，b=38mm， h=285mm，B=72.5mm，D=190mm， De=64mm，H=760mm，S=95mm， T=55mm 流体介质为空气，进气管道处进气口 速度为30m/s，视为不可压缩流动。出 气管处认为是充分发展流动，设置为 outflow边界，其余为壁面。
2 选择湍流模型
虽然Reynolds-Stress（雷诺 应力）模型能模拟各向异性流， 更适合旋流计算，但该模型在三 维时要计算7个方程计算量较大。 而RNG k-ε 双方程湍流模型与其 “Swirl Dominated Flow”选项 组合也可以较准确的模拟旋流占 优势流动，因此选用RNG k-ε 双 方程湍流模型。
图1 旋风分离器结构与尺寸
二 Gambit建立模型
1 建立三维模型
图2 三维图
2 网格划分
为了能够生成结构化网格，将实 体分成几块分别划分网格。
3 指定边界
一个面属于出气管， 一个面属于筒体
三 利用Fluent求解
1 选择计算模型
新版本的Fluent中，压力基准算 法（Presssure-Based）用于求解不 可压缩流动；密度基准算法 （Density-Based）用于求解可压缩 流动。 此处选择只有隐式格式的压力基 准算法、定常流。
3 定义流体物理属性 4 边界条件设置
进口速度30m/s，湍 流参数的指定方法选择 “Intensity Hydraulic Diameter”，湍流强度为 10%，水力直径0.0543， 水力直径等于四倍的流通 面积比上润滑面积。
4 求解
这里选分别采用一阶 迎风格式和二阶迎风格式 离散的simple算法进行了 计算。对于亚松弛因子 （Under-Relaxation Factors）保持默认，若求 解不稳定或是发散，可减 小。 迭代次数设置为 3000次。 残差改为1e-5
Aspen的介绍与旋风分离器的模拟
泡点，软件操作简单。
泡点温度
露点温度
h
10
输出露点泡点
输出露点泡点的计算结果，结果察看方便，直观
h
11
模拟技术在设计、工艺参数整个过程的应用
模拟旋风分离器具体思路： 1、通过给定条件手工计算（Excel程序）计算旋风分离器设备参数
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14
模拟旋风分离器具体思路
Fluent中计算过程：
h
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模拟旋风分离器具体思路
1、通过手算、Aspen和fluent的计算，将旋风分离器从设计、工艺参数整个过程 得到再现。
2、在对旋风分离器的整体理论分析和模拟研究同时 ，充分利用计算软件数值模 拟的优势，对于分析设备、优化操作变量提供了便利。
211高校 志比昆仑 学5竞江河
根据前面提供设 备的参数进行输 入，输入结束， 点击运行键，开 始计算
02.09.2020
设定物流和设备参 数
温度参数 流量参数
压力参数
6h
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计算结果
物流摩尔流量、质量流量，体积流量
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详 细 的 物 流 参 数
7h
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3h
211高校 志比昆仑 学3竞江河
建立流程
闪蒸分离器
反应器
换热器
从模型库选择模型在流程绘制区进行流程搭建上面搭建的 流程
02.09.2020
4h
211高校 志比昆仑 学4竞江河
输入组分和选择热力学方程
输入参加反应的 物质
选择计算使用的 热力学方程
旋风分离器内流动DPM仿真分析
空气净化器内流动仿真计算与分析将颗粒（灰尘）从气体中分离并得到净化的空气，这是许多工业设备所需求的。
简单而实用的方法是利用重力进行分离的方法，旋风分离器就是基于这种方法的设备。
旋风分离器结构如图所示。
带有灰尘的气体自边长为0.2m的矩形管道沿切向进入直径为0.6m的圆形容器，在重力的作用下，灰尘落入底部的积尘器内，清洁空气自直径为0.2m的通道内流出。
第一步几何建模在D盘上建立名为Cyclone的文件夹。
启动gambit如图所示。
1、创建高50cm、半径30cm的圆柱→→2、创建高80cm、半径10cm的小圆柱并将小圆柱沿y轴向下移动10cm3、创建锥台如图所示→→4、创建高5cm、半径10cm的圆柱，将这个小圆柱沿y轴向下移动100cm。
的圆柱（集尘器）并将此圆柱沿y轴下移105cm结果如图所示。
6、创建矩形进气道将气道移动，设置如图所示。
7、除中间小圆柱（长70cm，半径10cm）外，将其余的体进行布尔加操作。
→→8、将合并后的体减去小圆柱体，并保留小圆柱体→→9、将小圆柱体下端面的两个面合并→→第二步进行网格划分1、先对小圆柱进行网格划分2、再对流域进行网格划分第三步设置边界类型1、设置矩形入口边界为速度入口边界类型2、设置小圆柱上端面为压力出口边界类型3、设置下面的集尘器为固壁类型输出网格，保存文件，退出Gambit。
第四步进行仿真计算1、启动3d求解器，读入网格，进行网格检查，网格光滑和长度单位设置2、设置湍流模型，选取K-E 的RNG模型，如图所示。
在RNG Options项选择Swirl Dominated Flow（以旋流为主的流动）3、在离散相设置中，在Tracking项，将Max.Number of Steps 设置为100004、设置射流源属性Define Injections，打开对话框，点击Create。
在Injection Type项选择surface；在Release From Surfaces项选择inlet；（入口）在Material项选择ash（灰尘）；在Diameter Distribution（直径分布）项选择uniform（均匀直径）；（1）在Point Properties卡中：在Diameter项输入颗粒直径0.015cm；在Total Flow Rate项输入质量流量0.001kg/s点击OK。
旋风分离器数值模拟
从其速度矢量图可以看出， 两侧的速度主要为周向速度，排 气管的速度主要为轴向速度，而 且速度逐渐减小，与已知相符。
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4 后处理
创建z=645截面的压力云图和速度矢量
从压力云图可以看出进口截面中间有个明显的低压区，其速度矢量图可 以明显的看出造旋运动，且中间区域有明显的空白，即周向速度分量很小。
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4 后处理
1μm颗粒的跟 随性比较好，可以 根据颗粒轨迹来分 析流场。
1μm颗粒轨迹
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4 后处理
创建x=0面，显示压力云图。
从其压力云图中可以看出， 两侧压力较高，中间排出管压力 较小，有明显的压力突变；而两 侧延高度方向压降较小；与实验 测量一致。
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4 后处理
创建x=0面，显示其速度矢量。
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3 计算：模型选择
采用稳态，压力基求解器，不考虑重力。湍流模型采用k-epsilon(2 epn) 模型，激活Swirl Dominated Flow（强旋流）。离散相采用DPM模型。颗粒采 用煤粉，颗粒粒径为1um，密度为1000kg/m3
为何不采用Reynolds Stress模型？
由于旋风分离器内部流动非常复杂，用 试验或者解析的方法研究分离器内部的流动 状况比较困难。近年来，随着计算机硬件 CFD(计算流体动力学)技术的不断进步，数值 方法成为研究旋风分离器的一种重要手段。 通过对旋风分离器内气固两相进行数值模拟， 揭示旋风分离器内部流场，为优化旋风分离 器的结构提供思路，也为进一步提高分离性 能奠定基础。
分离器数值模拟fluent
与结果分析计算流体力学作为流体力学研究中的一门新兴分支，正在工业和科研领域内发挥愈来愈重要的作用。
将CFD工具运用到分离机械的研究中，也成为工程技术人员改良设计、提高效率的有效手腕，是CFD应用的前沿。
一些成熟的算法，模型也以商业软件的形式出此刻工程及科研领域。
相较研究单位自行开发的计算程序，商业计算软件一样具有以下特点：①通用性广。
由于商业软件面向的用户对象普遍，处置的实际问题多种多样，因此其覆盖的应用范围要尽可能广。
②计算稳固性好。
多数软件通过不同研究领域内的算例测试，对不同类型的问题具有较好的适应能力。
③利用方便，商业软件通过不同友好的用户界面，方便用户的利用。
④一样商业软件也存在一些明显的不足，例如：算法相对陈腐，不能紧跟CFD研究领域内的最新功效；与不同行业内的实际要求存在必然的距离，难以将各研究单位已有的研究功效结合到商业软件中。
这在必然程度上限制了商业软件在工程实际中的应用。
FLUENT是由美国FLUENT公司于1983推出的CFD软件。
它是继PHOENICS软件以后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。
FLUENT是目前功能最全面、适用性最广、国内利用最普遍的CFD软件之一。
本文运用fluent软件对离心式分离器的内流场进行分析计算，fluent公司是享誉世界的最大计算流体力学软件供给商，fluent软件能够精准地模拟无粘流、层流、湍流、化学反映、多相流等复杂的流动现象。
应用领域包括：航空航天、汽车设计、生物医药、化学处置、石油天然气、发电系统电子半导体、涡轮设计、HVAC、玻璃加工等。
FLUENT 具有精度高，收敛快，稳固性好等特点。
Gambit是前置处置器，能针对及其复杂的几何外形生成三维四面体，六面体的非结构化网格及混合网格。
该模块还具有方便的网络检查功能，对网络单元体积、扭曲率、长细比等阻碍收敛和稳固的参数进行统计并生成报告。
7.2 计算流体力学基础在流体力学的研究中，经常使用的方式有理论研究方式、数值计算方式和实验研究方式。
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Gambit建模部分本次模拟为一旋风分离器，具体设置尺寸见建模过程，用空气作为材料模拟流场。
为方便图形截取，开始先设置界面为白色窗体，依次点击“Edit,” “Defaults, “GRAPHIC'S, 选择“WINDOWS_BACKGROUND_COLOR 设置为“White；'点击 Modify。
关闭对话框。
一.利用Gambit建立几何模型1. 双击打开 Gambit2.4.6,2. 先创建椭圆柱依次点击“Operation下的“Geometry创建体“V lume”，点击“CreateReal Frustum”输入数据基于Z 轴正方向创建“height 475；r adius1 36.25；radius3 95”，点击Apply，生产椭圆柱体。
如图1-1，图1-2。
3. 创建圆柱体再次利用创建椭圆柱按钮，输入数据基于Z 轴正方向创建“height 285; radius1 95; radius3 95”，点击 Apply。
移动刚刚创建的圆柱体，依次点击“Geometry' “olume”，点击“Move/copy，选择刚刚创建的圆柱体，点击“ Mov >Tra nslate,”输入移动的数据 X=0，Z=475”，并选择 Connected Geometry 点击 Apply。
如图 1-3， 1-4 所示。
图1-1椭圆柱设置对话框图1-2椭圆柱生成图Y=0，坤卩ly I Rcsc4 I OK*-* Mtwc□pcfaUnn: ♦Tiiiis™V ROCSiJS-Y> RoflDCl 7 ScHiilCwp制申驿-| L_5'II：1 >|TMf*■ UwvfK-M geonwrlry同样的方法创建小圆柱体，输入数据基于Z轴正方向创建“height 150; radiusl 32; radius3 32”，点击 Apply。
同样的方式移动小圆柱体，点击“ Mov>Tra nslate,”输入移动的数据“ X=0 Y=0，Z=665”，不选择 Connected Geometry 点击 Apply。
如图 1-5，图 1-6，图 1-7 所示。
显示实体图，如图1- 8。
4. 将小圆柱体进行分割，分成上下两个圆柱面，点击“Splitvolume”，选择被分割的圆柱体Volume2,选择下部组合体为分割体，点击“Bidirectiona和connected ”点击Apply。
删除Volume3。
如图1-9，图1-10所示。
5. 图创建实体分分命令器话框风口，点击依次点击图Geomet r y*图“ V lume ”，“ create rea brick，基于中心，输入数据“width 140，depth 38, height 95，”点击 Apply。
如图1-11，图 1-12 所示。
移动矩形风口，依次点击“Geometry” “V lume”，“Move/copyVolumes”，选择“Mov>Translate,输入“X=7QY=-76，Z=712.5 ”,点击 Apply。
如图 1-13所示。
将矩形与旋风分离器体使用布尔运算合为一体，依次点击“Geometry，“blume”，"Un 图1-6小圆柱体移动命令对话框图1-7小圆柱体移动生成图图1-8实体图ite Real Vume ”。
图1-12生成长方体图基于Z轴正方向，输入圆柱体尺寸95, radius3 95”，点击 Apply。
如图 1-14 所示。
分割旋风分离器主体，点击“Geometry” “V lume”，“Splitvolume”，选择被分割体旋风分离器主体，选择分割体刚刚创建的大圆柱体，选择连接“ connected ”点击 Apply。
则旋风分离器上部进风口与本体分成相连的两部分基于Z轴正方向，输入矩形面尺寸“ Width 400 Height 400 ”点击Apply 移动刚刚生成的面，点击“Geometry” “face,” “Move/Copy Face”，选择Move>Translate,输入“X=0 Y=0，Z=665”，点击 Apply。
如图 1-15 所示。
利用刚刚生成的分割面分割旋风分离器柱体上半部分。
点击“blume”，“SplitVolume”，选择被分割体，选择刚刚建立的分割面，点击 Apply如图1-16。
至此生成了几何模型。
如图1-17所示依次单击 Operation 下的“Mesh；“blume输“MeSh Vlume”，选择 Volume 1，选择元素“ Hex/Wedg” 类型“ Cooper” 选择源面“Face 1,8Face 19'；选择 Spaci ng 网格个数“Interval count 20。
生成如图2-1所示2. 划分出上部出风口柱体网格。
DirectionLabel 「Apply |Reset Qos«图1-11创建长方体命令对话框6•创建分割圆柱体，图1-13移动长方体图“height 1000, radius17.创建矩形分割面。
直接点击“Geometry,” “face,图1-16分割命令对话框create Real Recta ngular Face“Geometry”•划分实体网格1.划分进风口位置网图1-17实体模型Wldtll(X)Cantered 前coortlinate sys. pc_3/$.iDEplh(Y)HeigHt(Z)［頁|图1-14创建分割体图图1-15创建分割面图在上面操作基础上，选择 Volume 1,选择元素“ Hex/Wedge类型“Coope,选择源面“ Face 7 Face 9 ”，选择Spaci ng 网格个数“ In terval co unt30”。
生成如图2-1,图2-2所示图2-1划分网格对话框3. 划分旋风分离器上部柱体网格在以上操作基础上，选择 Volume 7,选择元素“Hex/Wedge类型“Cooper”选择源面“Face 2,3Face 25'；选择 Spacing 网格个数“Interval count 40。
生成如图 2-3, 图2-4所示图2-3划分网格对话框4. 划分旋风分离器下部圆柱柱体及圆台网格在以上操作基础上，选择 Volume 5,选择元素“Hex/Wedge类型“Cooper；选择源面“ Face ,1 Face 25, Face11；,选择 Spaci ng 网格个数“ In terval count 40。
图2-5划分网格对话框图2-6生成实体网格图5. 网格检查，依次点击“Examine mesh” “Range” “3DEIement,”滑动水平滚动条检查网格质量。
三.定义边界生成图2-2生成实体网格图2-4生成实体网格图如图2-5,图2-6所示1. 定义速度入口边界。
依次单击“Zo ne Comma nd Button" “ Specify Bou ndarTypes”，选择“ Add；输入Name “velocity」nlet.1 ”，选择速度入口，选择进口面，点击 Apply ，成功定义速度入 口面。
如图3-1所示。
2. 定义出口边界。
同样的方法，依次单击 “Zone Comma nd Button ， “ Specify Boundary Types 选 择“Add ；输入Name“outflow.2 ”，选择OUTFLOW ，选择出面，点击 Apply ，成功 定义出口面。
如图3-2所示。
3. 定义交界面。
同样的方法，定义位于旋风分离器内部小圆柱面的下圆面为 图3-3所示。
保存文件，点击“File,” “Save ”输出网格，点击 “File,” “Export,” “mesh ；不选 择“Export 2D(X-Y)；，输入文件名“cyclone,”点击“Accept,；则在默认保存位置生成一 个cyclone.msh 文件。
至此完成一. 网格处理1. 双击打开Fluent6.3.26。
选择三维单精度求解器，单击 “ Run ，打开操作 界面。
如图1-1。
2. 读入网格，依次单击“File, ““Read' “Case”选择之前建立的cyclone.msh 文件。
3. 检查网格，依次点击“Grid,” “Check”留意到最小网格为正，无负体积。
如图1-2。
INTERFACE 面。
女口 Gambit 建模。
Specify iBuundlay Typesopenly Boundary liypesSpeciify fiDuidar/ TypesFLUENT SISFUJFHTSdEType^olocilyjrletl VELoerrv.JNLEIJOuDl0w2 OITTFLOW inlerfacE.3 INTERFACE infciftce#INTERFACEVName;yELOcnYjmi i IType ：QUTFL 的 i IType:INTERFACE -1 IType1A jApply |Reset |抑 pl* | A HE C I图3-2设置出口边界对话框ResetdDSC图3-3设置交界面对话框HaflB ： | valocityjriftl' Type-FLUEHT 隔Ac tian:」3ii 阿域胎」she* cok)r$NflfflE ； I OUJItwgAdm: + ^dd v#D QI 腫 * Dm 瞰 ail」SM Mels 」Slw colorsv Modifyv D 创曲allAction:♦ Addv D@lele5$」|»3£叮5 出Remotel-tttrty!RemoveEdil CI KEFac時-i |加岀 ijEditBitily:Remove图3-1设置入口边界对话框Volume st^tistiH ：fiininufi volume (n3): 9- 89QSI^e+OOenaxinum volume (m3): 6.866611e+002 total uolune (m3):1_5^0976e+O07Run Exit图1-1初始打开界面 图1-2网格检查部分内容图4. 设置计算区域尺寸，依次单击 “Grid,” “Scale”选择“Grid Was Created I 为 “mr”，单击“Seal 变换尺寸，完成计算域尺寸设置。
再次检查网格，提示需要设置 “ I nteface 面。
”5. 单击“display, ” “ Grid 可以查看网格。
二.选择计算模型 1. 定义基本求解器。
依次点击Define ”，“Models, “Solver 。