本案例利用 FLUENT 計算 Tesla 閥的內部流場特征。 Tesla 閥是一種沒有運動部件的微型閥門,通常用于微機電系統,其操作原理基于流體流動的方向。在相同的壓力降下,正向流動的流量大于逆向流動的流量,換句話說,在相同流量情況下,正向壓降要遠小于逆向壓降。本案例的研究正是基于此原理,研究的閥門型式如圖所示,給定正向或反向流動速度為 10m/s ,考察在此速度條件下,正向流動與逆向流動的壓力降。

案例采用的模型幾何尺寸如圖所示,采用 3D 模型進行計算,流動介質為水,其密度為 1000kg/m 3 ,粘度 0.001Pa.s 。

流動雷諾數:

計算采用層流模型。閥門的幾何模型如圖所示(圖中單位為微米)。

三維幾何模型如圖所示。

案例網格模型如圖所示?？偩W格數量 93482 。

Step 1 :啟動 FLUENT

• 啟動 FLUENT 。

• 利用菜單【File 】 > 【 Read 】 > 【 Mesh… 】,選擇網格文件 Ex2-1.msh

Step 2 :縮放網格

按以下步驟操作:

• 鼠標選擇模型操作樹節(jié)點General 右側面板中的 Scale… 按鈕,如 圖所示。

Scale Mesh 對話框顯示的模型尺寸范圍如下圖所示?？梢钥吹侥Ｐ统叽缗c實際幾何尺寸存在偏差。實際幾何 Z 方向厚度為 120 微米,而對話框顯示尺寸為 0.12m ,相差了 1000 倍,在 X , Y 方向同樣如此,因此需要對模型的 X,Y,Z 三方向同時縮小 1000 倍。

• 選擇 Mesh Was Created In 下拉框為 mm ,點擊 Scale 按鈕,如圖所示進行操作。

小提示:對于用于 CFD 計算的幾何建模,在建模的時候根本不需要關注模型尺寸及單位,只需要按照幾何比例創(chuàng)建模型即可,在求解器導入模型后通常需要確認導入的模型是否與實際幾何尺寸一致。

縮放后幾何尺寸如圖所示?？梢愿?strong style="color:#DC143C !important;">View Length Unit In 下拉框中的選項為 mm,這樣看起來更順眼一些,當然也可以不選,此選項只是方便查看而已,并不會影響幾何的尺寸。

Step 3 :檢查網格

按以下步驟操作:

• 鼠標選擇模型操作樹節(jié)點 General 右側面板中的 Check 按鈕,如圖所示。

點選此按鈕后在 TUI 窗口出現如圖所示提示。重點關注 minimum volume 的值,確保該值為正。

Step 4 : General 面板其他設置

其他采用默認設置。

Step 5 : Models 設置

本案例湍流計算采用默認的層流模型,不考慮溫度變化,沒有其他的額外模型需要選擇,因此該模型節(jié)點無需進行額外設置。

Step 6 : Material 設置

案例采用的流動介質為液態(tài)水,密度為 1000kg/m 3 ,粘度為 0.001Pa.s 。

• 鼠標點擊模型樹節(jié)點 Materials ,選擇右側面板中的 Create/Edit… 按鈕

• 彈出的 Create/Edit Materials 對話框中選擇按鈕 Fluent Database…

• 在彈出的 Fluent Database Materials 對話框中選擇材料 water-liquid(h2o) ,點擊 Copy 按鈕將材料添加到當前工程中。點擊 Close 按鈕關閉此對話框

• 在 Create/Edit Materials 對話框中修改材料密度為 1000 ,粘度為 0.001 ,點擊 Change/Createa 按鈕確認修改,點擊 Close 按鈕關閉對話框

Step 7 : Cell Zone Conditions 設置

設置計算域中介質屬性。

• 鼠標雙擊模型樹節(jié)點 Cell Zone Conditions | fluid(fluid)

• 在彈出的流體域介質屬性設置對話框中,設置 Material Name 為 water-liquid

Step 8 : Boundary Conditions 設置

設置步驟:

• 鼠標點擊模型樹節(jié)點 Boundary Conditions

• 鼠標雙擊右側設置面板中 Zone 列表框下的 inflow

• 設置 velocity Magnitude 為 10m/s

• 設置 outflow 邊界的類型為 pressure-outlet ,其他采用默認設置

Step 9 : Solution Methods

設置步驟包括:

• 鼠標選擇模型樹節(jié)點 Solution Methods ,如下圖所示設置右側面板

Step 10 : Monitors 設置

設置殘差精度標準。

• 鼠標點擊模型樹節(jié)點 Monitors

• 鼠標選擇右側面板中 Residuals 下方的 Edit… 按鈕

• 在彈出的 Residual Monitors 對話框中設置所有方程的 Absolute Criteria 為 1e-5

Step 11 : Solution Initialization

鼠標單擊模型樹節(jié)點 Solution Initialization ,采用默認的 Hybrid Initialization 進行初始化,點擊右側設置面板中的 Initialize 按鈕進行初始化。如圖所示。

Step 12 : Run Calculation 及文件保存

點擊模型樹節(jié)點 Run Calculation ,設置右側面板中 Number of Iterations 為 500 ,點擊按鈕 Calculate 進行計算。

計算完畢后,利用菜單 【 File 】 > 【 Write 】 > 【 Case & data… 】 保存工程文件為 Tesla_forward.cas 及 Tesla_forward.dat 。

Step 13 :修改邊界條件

利用逆流邊界進行設置計算。設置 inflow 為壓力出口, outflow 為速度入口。

• 鼠標點擊模型樹節(jié)點 Boundary Conditions

• 鼠標選擇列表框中邊界 inflow ,設置其 Type 為 pressure-outle ,在彈出的邊界值設置對話框中采用默認的邊界值,即靜壓為 0 ,點擊 OK 按鈕關閉對話框

• 鼠標選擇列表框邊界 outflow ,設置其 Type 為 velocity-inlet ,在彈出的邊界值設置對話框中設置其速度值為 10m/s ,點擊 OK 按鈕關閉對話框

Step 14 : Run Calculations 及文件保存

點擊模型樹節(jié)點 Run Calculation ,設置右側面板中 Number of Iterations 為 500 ,點擊按鈕 Calculate 進行計算。

計算完畢后,利用菜單【 File 】 > 【 Write 】 > 【 Case & data… 】 保存工程文件為 Tesla_backward.cas及 Tesla_backward.dat 。

Step 15 :啟動 CFD-POST 并導入數據

本案例涉及到兩個 case 的比較,因此在 CFD-POST 中進行。

小技巧: CFD-POST 是專業(yè)的后處理軟件,所有的 CFD-POST 計算結果建議在 CFD-POST 中進行,能夠獲得比 FLUENT 自身后處理更好的效果。

• 啟動 CFD-POST ,選擇菜單【 File 】 > 【 Load Results… 】,在打開的文件選擇對話框中,按住鍵盤 CTRL 鍵同時選擇前面計算后保存的文件 tesla_forward.cas 及 tesla_backward.cas ,點擊 Open 按鈕打開文件。

小技巧:在同時導入多個結果文件到 CFD-POST 中時,通常導入的是 CAS 文件,而 dat 文件軟件會自動讀取。不過需要保證 cas 文件與 dat 文件在同一路徑下,且文件名一致。導入瞬態(tài)序列數據時,情況與此類似,在后續(xù)的瞬態(tài)結果后處理時再介紹瞬態(tài)序列數據的導入方法。

結果文件導入過程如 圖 2- 57 所示。文件導入后, CFD-POST 會自動將兩個 CASE 并排放置在圖形窗口中,在進行多案例比較時非常方便。

Step 16 :創(chuàng)建截面

創(chuàng)建中面觀察比較兩個 Case 的流場分布。該中面為 z=0.06mm

• 利用菜單【 Insert 】 > 【 Location 】 > 【 Plane 】創(chuàng)建平面,在彈出的平面創(chuàng)建對話框中輸入平面名稱 Z006mm ,點擊 OK 按鈕創(chuàng)建平面。

• 在左下方的平面細節(jié)設置面板中, Geometry 選項卡下設置 Method 為 XY Plane ,設置 Z 為 0.06[mm]

• 切換到 Color 標簽頁,設置 Mode 為 Variable ,設置 Variable 為 Velocity ,設置 Range 為 Local ,點擊 Apply 確認操作

顯示窗口顯示兩種不同流動方向條件下的速度分布。( a )為正向流動條件下的流動速度分布,( b )為逆向流動條件下的速度分布。

Step 17 :壓降分析

分析兩種不同流動條件下各自的壓降。

• 選擇菜單【 Insert 】 > 【 Expression 】,在彈出的對話框中輸入名稱 PressureDrop ,點擊 OK 按鈕確認

• 在左下角的表達式定義面板中輸入 areaAve(Pressure)@outflow -areaAve(Pressure)@inflow

此表達式意義為:出口壓力與入口壓力的差值。

• 選擇菜單【 Insert 】 > 【 Table 】插入表格,在 A1 單元格輸入文本 PressureDrop ,激活 B1 單元格,在上方文本框中輸入 =PressureDrop ,此 PressureDrop 即定義的表達式

• 選擇 Default Case 為 tesla_forward

此時 B1 單元格內容為 -9.87e4Pa ,此表示正向流動系統壓降為 9.87e4Pa 。

• 選擇 Default Case 為 tesla_backward

此時 B1 單元格顯示內容為 1.43e5Pa ,此為逆向流動系統壓降。

圖中 逆向流動系統 壓降 兩種不同流動方式的系統壓降相差較大,約為 1.43e5-9.87e4=44300Pa 。

注:本案例取自我近期即將出版的新書,先劇透一下。OpenFOAM有毒,最近更新了兩篇OpenFOAM的文章,然后一大群人取消了關注。