本案例利用 FLUENT 计算 Tesla 阀的内部流场特征。 Tesla 阀是一种没有运动部件的微型阀门,通常用于微机电系统,其操作原理基于流体流动的方向。在相同的压力降下,正向流动的流量大于逆向流动的流量,换句话说,在相同流量情况下,正向压降要远小于逆向压降。本案例的研究正是基于此原理,研究的阀门型式如图所示,给定正向或反向流动速度为 10m/s ,考察在此速度条件下,正向流动与逆向流动的压力降。

案例采用的模型几何尺寸如图所示,采用 3D 模型进行计算,流动介质为水,其密度为 1000kg/m 3 ,粘度 0.001Pa.s 。

流动雷诺数:

计算采用层流模型。阀门的几何模型如图所示(图中单位为微米)。

三维几何模型如图所示。

案例网格模型如图所示。总网格数量 93482 。

Step 1 :启动 FLUENT

• 启动 FLUENT 。

• 利用菜单【File 】 > 【 Read 】 > 【 Mesh… 】,选择网格文件 Ex2-1.msh

Step 2 :缩放网格

按以下步骤操作:

• 鼠标选择模型操作树节点General 右侧面板中的 Scale… 按钮,如 图所示。

Scale Mesh 对话框显示的模型尺寸范围如下图所示。可以看到模型尺寸与实际几何尺寸存在偏差。实际几何 Z 方向厚度为 120 微米,而对话框显示尺寸为 0.12m ,相差了 1000 倍,在 X , Y 方向同样如此,因此需要对模型的 X,Y,Z 三方向同时缩小 1000 倍。

• 选择 Mesh Was Created In 下拉框为 mm ,点击 Scale 按钮,如图所示进行操作。

小提示:对于用于 CFD 计算的几何建模,在建模的时候根本不需要关注模型尺寸及单位,只需要按照几何比例创建模型即可,在求解器导入模型后通常需要确认导入的模型是否与实际几何尺寸一致。

缩放后几何尺寸如图所示。可以更改View Length Unit In 下拉框中的选项为 mm,这样看起来更顺眼一些,当然也可以不选,此选项只是方便查看而已,并不会影响几何的尺寸。

Step 3 :检查网格

按以下步骤操作:

• 鼠标选择模型操作树节点 General 右侧面板中的 Check 按钮,如图所示。

点选此按钮后在 TUI 窗口出现如图所示提示。重点关注 minimum volume 的值,确保该值为正。

Step 4 : General 面板其他设置

其他采用默认设置。

Step 5 : Models 设置

本案例湍流计算采用默认的层流模型,不考虑温度变化,没有其他的额外模型需要选择,因此该模型节点无需进行额外设置。

Step 6 : Material 设置

案例采用的流动介质为液态水,密度为 1000kg/m 3 ,粘度为 0.001Pa.s 。

• 鼠标点击模型树节点 Materials ,选择右侧面板中的 Create/Edit… 按钮

• 弹出的 Create/Edit Materials 对话框中选择按钮 Fluent Database…

• 在弹出的 Fluent Database Materials 对话框中选择材料 water-liquid(h2o) ,点击 Copy 按钮将材料添加到当前工程中。点击 Close 按钮关闭此对话框

• 在 Create/Edit Materials 对话框中修改材料密度为 1000 ,粘度为 0.001 ,点击 Change/Createa 按钮确认修改,点击 Close 按钮关闭对话框

Step 7 : Cell Zone Conditions 设置

设置计算域中介质属性。

• 鼠标双击模型树节点 Cell Zone Conditions | fluid(fluid)

• 在弹出的流体域介质属性设置对话框中,设置 Material Name 为 water-liquid

Step 8 : Boundary Conditions 设置

设置步骤:

• 鼠标点击模型树节点 Boundary Conditions

• 鼠标双击右侧设置面板中 Zone 列表框下的 inflow

• 设置 velocity Magnitude 为 10m/s

• 设置 outflow 边界的类型为 pressure-outlet ,其他采用默认设置

Step 9 : Solution Methods

设置步骤包括:

• 鼠标选择模型树节点 Solution Methods ,如下图所示设置右侧面板

Step 10 : Monitors 设置

设置残差精度标准。

• 鼠标点击模型树节点 Monitors

• 鼠标选择右侧面板中 Residuals 下方的 Edit… 按钮

• 在弹出的 Residual Monitors 对话框中设置所有方程的 Absolute Criteria 为 1e-5

Step 11 : Solution Initialization

鼠标单击模型树节点 Solution Initialization ,采用默认的 Hybrid Initialization 进行初始化,点击右侧设置面板中的 Initialize 按钮进行初始化。如图所示。

Step 12 : Run Calculation 及文件保存

点击模型树节点 Run Calculation ,设置右侧面板中 Number of Iterations 为 500 ,点击按钮 Calculate 进行计算。

计算完毕后,利用菜单 【 File 】 > 【 Write 】 > 【 Case & data… 】 保存工程文件为 Tesla_forward.cas 及 Tesla_forward.dat 。

Step 13 :修改边界条件

利用逆流边界进行设置计算。设置 inflow 为压力出口, outflow 为速度入口。

• 鼠标点击模型树节点 Boundary Conditions

• 鼠标选择列表框中边界 inflow ,设置其 Type 为 pressure-outle ,在弹出的边界值设置对话框中采用默认的边界值,即静压为 0 ,点击 OK 按钮关闭对话框

• 鼠标选择列表框边界 outflow ,设置其 Type 为 velocity-inlet ,在弹出的边界值设置对话框中设置其速度值为 10m/s ,点击 OK 按钮关闭对话框

Step 14 : Run Calculations 及文件保存

点击模型树节点 Run Calculation ,设置右侧面板中 Number of Iterations 为 500 ,点击按钮 Calculate 进行计算。

计算完毕后,利用菜单【 File 】 > 【 Write 】 > 【 Case & data… 】 保存工程文件为 Tesla_backward.cas及 Tesla_backward.dat 。

Step 15 :启动 CFD-POST 并导入数据

本案例涉及到两个 case 的比较,因此在 CFD-POST 中进行。

小技巧: CFD-POST 是专业的后处理软件,所有的 CFD-POST 计算结果建议在 CFD-POST 中进行,能够获得比 FLUENT 自身后处理更好的效果。

• 启动 CFD-POST ,选择菜单【 File 】 > 【 Load Results… 】,在打开的文件选择对话框中,按住键盘 CTRL 键同时选择前面计算后保存的文件 tesla_forward.cas 及 tesla_backward.cas ,点击 Open 按钮打开文件。

小技巧:在同时导入多个结果文件到 CFD-POST 中时,通常导入的是 CAS 文件,而 dat 文件软件会自动读取。不过需要保证 cas 文件与 dat 文件在同一路径下,且文件名一致。导入瞬态序列数据时,情况与此类似,在后续的瞬态结果后处理时再介绍瞬态序列数据的导入方法。

结果文件导入过程如 图 2- 57 所示。文件导入后, CFD-POST 会自动将两个 CASE 并排放置在图形窗口中,在进行多案例比较时非常方便。

Step 16 :创建截面

创建中面观察比较两个 Case 的流场分布。该中面为 z=0.06mm

• 利用菜单【 Insert 】 > 【 Location 】 > 【 Plane 】创建平面,在弹出的平面创建对话框中输入平面名称 Z006mm ,点击 OK 按钮创建平面。

• 在左下方的平面细节设置面板中, Geometry 选项卡下设置 Method 为 XY Plane ,设置 Z 为 0.06[mm]

• 切换到 Color 标签页,设置 Mode 为 Variable ,设置 Variable 为 Velocity ,设置 Range 为 Local ,点击 Apply 确认操作

显示窗口显示两种不同流动方向条件下的速度分布。( a )为正向流动条件下的流动速度分布,( b )为逆向流动条件下的速度分布。

Step 17 :压降分析

分析两种不同流动条件下各自的压降。

• 选择菜单【 Insert 】 > 【 Expression 】,在弹出的对话框中输入名称 PressureDrop ,点击 OK 按钮确认

• 在左下角的表达式定义面板中输入 areaAve(Pressure)@outflow -areaAve(Pressure)@inflow

此表达式意义为:出口压力与入口压力的差值。

• 选择菜单【 Insert 】 > 【 Table 】插入表格,在 A1 单元格输入文本 PressureDrop ,激活 B1 单元格,在上方文本框中输入 =PressureDrop ,此 PressureDrop 即定义的表达式

• 选择 Default Case 为 tesla_forward

此时 B1 单元格内容为 -9.87e4Pa ,此表示正向流动系统压降为 9.87e4Pa 。

• 选择 Default Case 为 tesla_backward

此时 B1 单元格显示内容为 1.43e5Pa ,此为逆向流动系统压降。

图中 逆向流动系统 压降 两种不同流动方式的系统压降相差较大,约为 1.43e5-9.87e4=44300Pa 。

注:本案例取自我近期即将出版的新书,先剧透一下。OpenFOAM有毒,最近更新了两篇OpenFOAM的文章,然后一大群人取消了关注。