案例6 - 三维冷热流体管内分层流

1.案例介绍

本案例将对复杂三维弯管内的冷热流体分层流现象进行CFD仿真分析。在弯管内，流体由于受到弯曲和离心力的影响，不同位置的流体流速可能不同，从而导致流体在管道横截面上出现分层流现象。通常情况下，流体中速度较高的部分更靠近管道内弯的外侧，而速度较低的部分则更靠近管道内弯的内侧。这种分层流现象会导致流体之间的热交换不充分，从而影响流体的混合和温度分布。

通过格物CAE的流动传热模块，我们可以对这种复杂的三维流体弯管内的分层流现象进行详细的模拟和分析。案例中所采用的几何如下图所示，管道内径为 0.4 m, 最右端为热流体入口，中间为冷流流体入口，左侧为出口。

2.网格文件

网格文件：stratified_junction.med

3.操作说明

本案例在格物CAE->流动传热模块中完成。

3.1 选择湍流模型

点击 流动传热仿真，进行湍流模型的选取。选择湍流模型为 k-epsilon，其他保持默认。如图所示：

3.2 网格导入

下载部分2的网格文件，在 流动传热仿真 -> 网格中，类型选择 上传网格，点击上传网格，依照指示将网格文件导入。

导入网格后，可通过鼠标左键移动视角，右击平移网格体。

3.3 设置材料

点击 流动传热仿真 > 材料 右侧的[+]，添加流体材料，选择 水。 水的物性保持默认，其动力粘度为 6.68e-6 Pa·s，密度为 992.91 kg/m^3，比热为 4180 J/kg/K，热导率为 0.59967 W/m/K。如图所示：

3.4 初始条件

点击 流动传热仿真 > 初始条件，设置湍流初值为 默认，温度为 301.75 K。如图所示：

3.5 边界条件

点击 流动传热仿真 > 边界条件 右侧的 [+]，即可选择预定义的边界条件，依次进行如下边界条件的定义：

• 冷端速度入口

选择速度入口，点击 施加位置 右侧的 [+]，勾选 cold_inlet，设置速度大小为 0.3183 m/s，温度为 291.65 K。

设置完成情况如图所示：

• 热端速度入口

选择速度入口，点击 施加位置 右侧的 [+]，勾选 hot_inlet，设置速度大小为 0.3183 m/s，温度为 311.65 K。

设置完成情况如图所示：

• 出口

选择出口，点击 施加位置 右侧的 [+]，施加位置勾选 outlet，设置温度边界类型为 定热流，热流大小为 0 W/m² 。

设置完成情况如图所示：

• 壁面

选择壁面，点击 施加位置 右侧的 [+]，施加位置勾选 wall，设置温度边界类型为 定热流，热流大小为 0 W/m² 。

设置完成情况如图所示：

3.6 设置时间步和计算资源

点击 流动传热仿真 > 时间步&资源，保持 定时间步长计算，选择时间步数为 2000，时间步长为 0.1 s，选择输出频率为 100，即每计算100步输出一帧后处理结果，如图所示：

4. 提交计算和查看仿真结果

设置完成后，点击 仿真计算，点击 开始计算，即可提交计算。

计算完成后，在流动传热仿真处会显示绿色图标，此时可开始进行仿真结果的查看。

点击 仿真计算->结果云图，选择物理场为 TempK/TempK ，点击播放键可观看流动传热过程。