基于phoenics流体仿真软件对自然对流的分析

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摘要:自然对流在日常生活中很普遍,散热器周围比较脏等现象都是由自然对流所引起的。由于空气是无色的流体,人类无法用肉眼看见其流动现象,同时其内部的物理参数在时刻发生变化,形成诸如温度场、速度场及压力场等,这给人类认识物质世界造成了一定的难度。但通过830000流体仿真软件,建立物理模型,并对其边界条件的限制,在理想的条件下,利用热力学、传热学及物理方面的定律,采用数学迭代的方法,可以把自然对流所形成的场完整的表示出来,为在实验室中做出的实验数据提供参考依据。

关键词:自然对流;仿真软件;phoenics;建模

中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2010)09-0019-02

自然对流发生在流体中,最常见的流体就是空气。现在我们想利用这款流体仿真软件phoenics对自然空气对流进行理论分析,将我们平常看不到的空气形象化,便于我们分析其内部各流场的分布,通过不同的边界条件我们可以得到不同的场分布图。此次我们所做的是大空间的自然对流的场分布,所以我需要改变空间的大小和形状来分析各种不同场分布,同时我们可以分析一下影响自然对流的因素。但由于理想条件实际中无法满足和收敛因子很难取,所以模拟的结果只做一个参考数据。

一、设计方法

思路:本软件要实现的是在建立的模型上,定义其边界条件和初始条件,调节松弛因子以“迭代”的数学思想,利用热力学,传热学及物理方面的定律进行计算,直至误差小于某一值时才结束,这样仿真就成功了。在实验运行结果出来后,通过菜单选项将结果在phoenics的界面上显示出来,通过改变选项转换温度场、压力场、速度场等。这样我们能够清楚的看见各种场的形状,及其空间分布状况。这将现实中肉眼无法直接观测到的现象形象化,但仿真时困难性很大,其中松弛因子的选择就是最繁琐的,需要长时间的探索和实践运行相比较得出来的。设计流程图如图1所示。

二、建模步骤

(一)建模方法一

1.开始菜单――程序――phoenics下,phoenics-VR选项。

2.在工具箱中,选择Menu下,Geometry选项,co-ordinate system,选择cylindrical-polar,在domain size中(x,y,z)=(6.28,1,0.001)。

3.选择工具箱的obj选项,(xsize,ysize,zsize)=(6.283,0.030,0.001),在geometry选项选择poldef,在shapes文件中选择polcu7,在attributes中,选择typs选择solid,选择copper at 27 deg c,在ennergy source中选择fixed neat flux其value值为加热管加热功率,在initial temperature只为加热管起始温度。

4.设置计算模型。操作如下:工具箱menu,model,选择solution for velocities and pressure为on,在energy quuation选择temperature。

5.设置初始条件。步骤如下:在menu下选择initialisation选项下initial value for each variable的P1,U1,V1,TEM1的值为101325,0,0,20。

6.设置边界条件。选择默认即可。

7.划分网格。在menu下选择Geometry,在number of bells选项中输入所要划分的网格数目。在初始界面中,选择网格图标,点击圆内任意一点,都可以细化网格。

8.设置松弛因子及计算步数。在menu下选择numeries,在total numbers of iterations中填入计算步骤。在relaxatons control选项中输入各项内容的松弛因子。

9.运行与调试。在菜单中选择run中earth选项。调节松弛因子使误差减小至0.01左右,各点值接近正常即可。

10.观察实验仿真结果。在run中选择vr viewer选项即可,通过改变P.V.T即可显示出空间各点的分布情况。

通过改变计算区域的大小,划分网格的多少,物体加热的功率等方式进行比较。

(二)建模方法二

1.打开phoenics-VR,在menu菜单下Geometry进行整体网格划分和确定空间大小(x,y,z)=(0.45,1,1)。

2.点击工具箱上的obj按钮,建立加热管的大小(xsize,ysize,zsize)=(0.038,0.038,0.45),点击default选项选择shapes,在shapes文件中选择cyl1,在attributes中,选types选择solid,选择copper at 27 deg c,在ennergy source中选择fixed neat flux其value值为加热管加热功率,在initial temperature只为加热管起始温度。

3.在空间各个表面,加载各种性质的膜。现在以一个面为例进行介绍。选择obj,使得(xsize,ysize,zsize)=(0.45,0,1)选中default,在弹出菜单中选择shapes下cube3t,在blockage下选择inlet。按此方法建立六个面的模型,并将其安置在各个表面。

4.其余各项参数与上面方法基本相同,这里就不介绍了。

如图6是模型的图形;

如图7是运行后的温度参数图;

如图8是运行后的压力参数图;

如图9是运行后的速度参数图;

模型效果图及运行后的效果图如下:

三、结论

通过建立模型,我们可以得出以下结论:热源在空间内被加热,在加热管表面空气受热,使得形成密度差,热的空气密度减小使得其向上运动,同时对流向四周扩散,但由于温度逐渐减弱,使得只在某一范围内形成场。在温度变化的同时,空间中空气的速度和压力也在变化。在做实验时我们发现一个很重要的现象:随着空间的变化,稳定的温度先增大后减小,而且在空间减小的时候可以观察到抽吸现象。这些现象在phoenics仿真软件中都可以描述出来。

参考文献

[1]杨士铭,陶文栓.传热学(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]孔珑.工程流体力学(第三版)[M].北京:中国电力出版社,2008.

[3]CHAM 公司.PHOENICS 软件帮助文件Concentration Heat & Momentum Ltd.2006.

基金项目:新疆大学国家大学生创新项目(项目编号:081075518)。

作者简介:张少强,男,新疆大学电气工程学院学生;黄龙,新疆大学电气工程学院副教授。