Fluent 多孔介质仿真(Porous Media)

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一、代做服务

提供ANSYS Mechanical、Fluent、CFX仿真项目代做及二次开发服务；

项目过程中，可提供录制项目视频、问题解答指导、远程一对一答疑服务；

项目完成后，提供相关软件培训视频教程；

二、答疑指导服务

提供在线远程答疑指导服务。

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许多工业应用，例如过滤器、催化剂床和填充床，都涉及模拟通过多孔介质的流动。本教程说明如何设置和解决涉及通过多孔介质气体流动的问题。

这里解决的工业问题涉及催化转换器中的气体流动。催化转换器通常用于通过将环境有害的尾气排放物转化为可接受的物质来净化汽油和柴油发动机的排放物。此类排放物的例子包括一氧化碳 (CO)、氮氧化物 (NOx) 和未燃烧的碳氢燃料。这些尾气排放物被强制通过载体，载体是一种涂有铂或钯等金属催化剂的陶瓷结构。

尾气流动的性质是确定催化转换器性能的重要因素。特别是重要的是载体中的压力梯度和速度分布。因此，CFD 分析对于设计高效的催化转换器很有用。通过模拟尾气流动，可以确定通过载体的压力降和流量均匀性。

在本教程中，使用 Ansys Fluent 对通过催化转换器几何形状的氮气流动进行建模，以便分析流动场结构。

本教程演示了如何在 Ansys Fluent 中执行以下操作：

* 使用“防水的几何体”引导工作流程：

* 导入 CAD 几何体

* 生成表面网格

* 封闭进出口

* 提取流体区域

* 生成体积网格

* 为载体设置多孔区，并设置适当的阻力。

* 使用基于压力的求解器计算通过催化转换器的气体流动。

* 在几何形状的指定平面上绘制压力和速度分布。

有关使用引导工作流程的更多信息，请参阅 Fluent 用户指南中的“Fluent 引导工作流程入门”。

2. 先决条件

本教程假设您已完成本手册中找到的入门教程，并且您熟悉 Ansys Fluent 的轮廓视图和功能区结构。设置和解决方案过程的一些步骤将不会明确显示。

3. 问题描述

这里建模的催化转换器如图 3.1 所示：催化转换器几何形状用于流动建模 (p. 90)。氮气以 125 m/s 和 800K 的均匀速度通过入口流动，通过一对具有方形通道的陶瓷单体载体，然后通过出口流出。

**图 3.1：催化转换器几何形状用于流动建模**

入口和出口部分的流动是湍流，而载体中的流动是层流，并沿入口轴具有惯性损失系数和粘性损失系数。载体在其它方向上是不可渗透的。这种特性是通过使用比主流动方向高三个数量级的损失系数来建模的。

4. 设置和解决方案

以下部分描述了本教程的设置和解决方案步骤：

* **准备**

* **网格划分工作流程**

* **常规设置**

* **求解器设置**

* **模型**

* **材料**

* **单元区域条件**

* **边界条件**

* **解决方案**

* **后处理**

4.1. 准备

运行本教程前的准备步骤：

1. 下载此处的 catalytic_converter.zip 文件。

2. 将 catalytic_converter.zip 解压缩到您的当前工作目录。

* 在文件夹中可以找到 SpaceClaim CAD 文件 catalytic_converter.scdoc。

* 此外，catalytic_converter.pmdb 文件可用于 Linux 平台。

3. 使用 Fluent 启动器启动 Ansys Fluent。

4. 在左上角的选择列表中选择 Meshing，以在网格划分模式下启动 Fluent。

5. 在 Options 下启用 Double Precision。

6. 在 Parallel (Local Machine) 下将 Meshing Processes 和 Solver Processes 设置为 4。

4.2. 网格划分工作流程

1. **启动网格划分工作流程**。

* 在 Workflow 选项卡中，选择 Watertight Geometry 工作流程。

* 审查工作流程的任务。

* 工作流程中的每个任务都带有指示其状态的图标（例如，表示已完成、未完成等。有关更多信息，请参阅 Fluent 用户指南中的“理解任务状态”）。

* 所有任务最初都是未完成的，您需要通过工作流程完成所有任务。工作流程还提供了其他任务。有关更多信息，请参阅 Fluent 用户指南中的“自定义工作流程”）。

2. **导入 CAD 几何体 (catalytic_converter.scdoc)**。

* 选择 Import Geometry 任务。

* 对于 File Format，保持默认设置 CAD。

* 对于 Units，保持默认设置 mm。

* 对于 File Name，输入要导入的 CAD 几何体的路径和文件名 (catalytic_converter.scdoc)。

* 注意：工作流程仅支持 *.scdoc (SpaceClaim) 和中间的 *.pmdb 文件格式。

* 选择 Import Geometry。

* 这将更新任务，在图形窗口中显示几何体，并允许您进入工作流程中的下一个任务。

图 3.2：导入的用于催化转换器的 CAD 几何体

3. **添加局部尺寸**。

* 在 Add Local Sizing 任务中，您会被提示是否希望向分面几何体添加局部尺寸控制。

* 在本教程中，我们将在传感器内部和周围添加局部尺寸，因为这是我们要求网格更精细的区域。稍后，我们将为其它区域的表面网格应用更粗的设置。

* 在添加局部尺寸的提示处，选择 yes。

* 将 Name of the size control 设置为 sensor。

* 将 Size Control Type 设置为 Curvature。

* 将 Local Min Size 设置为 0.1。

* 将 Max Size 设置为 1.2。

* 在列表中选择传感器内部和周围的表面，特别是 sensing_element-65-solid、sensor_innertube-67-solid 和 sensor_protectiontube-66-solid1。

* 当项目列表很长时，您可以使用 Filter Text 选项并使用类似于 in* 的表达式来仅显示以 "in" 开头的项目。或者，您可以使用 Use Wildcard 选项列出并预先选择匹配的项目。有关更多信息，请参阅“过滤列表和使用通配符”）。

* 选择 Use Wildcard 选项，在文本字段中输入 sens* 以过滤掉其他标签并自动选择所需的标签。

* 点击 Add Local Sizing 完成此任务并进入工作流程中的下一个任务。

4. **生成表面网格**。

* 在 Generate the Surface Mesh 任务中，您可以设置分面几何体表面网格的各种属性。

* 将 Minimum Size 设置为 1.5。

* 注意：图形窗口中几何体上显示的红色框是尺寸设置的图形表示。这些框会随着值的变化而改变大小，并且可以使用 Clear Preview 按钮隐藏它们。

* 对于 Separate Out Boundary Zones by Angle? 选项，选择 No。

* 选择 Advanced Options 以暴露更多设置。

* 将 Quality Improve Skewness Limit 设置为 0.95。

* 点击 Generate the Surface Mesh 完成此任务并进入工作流程中的下一个任务。

5. **描述几何形状**。

* 当您选择 Describe Geometry 任务时，您会被提示有关导入几何体性质的问题。

* 在 Geometry Type 下，选择 The geometry consists of both fluid and solid regions and/or voids 选项，因为该模型包含流体和固体，以及潜在的空腔。

* 对于 Will you cap openings and extract fluid regions? 提示，选择 Yes，因为我们计划添加封闭表面并提取流体。

* 对于 Change all fluid-fluid boundary types from 'wall' to 'internal'? 提示，选择 Yes，因为我们正在模拟整个几何形状的流动，并且任何潜在流体区域之间的内部壁边界应该是内部边界，以允许流动通过。

* 请记住，催化转换器内部有两个区域最终将表示为多孔区域，并被其他非多孔流体区域包围。目前，我们将所有这些内部区域视为流体区域，并在 Ansys Fluent 求解器中相应地进行更改。

* 保持此任务的其余默认设置。

* 点击 Describe Geometry 完成此任务并进入工作流程中的下一个任务。

6. **覆盖几何体中的任何开口**。

* 选择 Enclose Fluid Regions (Capping) 任务，您可以在其中覆盖或封闭几何体中的任何开口，以便稍后提取封闭的流体区域。

* **为入口创建一个盖子**。

* 将 Name of the capping surface to be assigned to the manifold's inlet 设置为 inlet。

* 对于 Zone Type，保持默认设置 velocity-inlet。

* 在列表中，选择您要覆盖的开口 in1（或在图形窗口中右键单击入口表面）。

* 图形窗口指示所选项目。

* 点击 Create Cap(s) 完成此任务并进入工作流程中的下一个任务。

* 一旦完成，此特定任务将返回到新的任务，以便分配其他封闭表面（如果需要）。我们将继续为剩余的开口分配一个盖子并将其分配为出口。

* **为出口创建一个盖子**。

* 将 Name of the capping surface to be assigned to the manifold's outlet 设置为 outlet。

* 对于 Zone Type，将设置更改为 pressure-outlet。

* 在列表中，选择您要覆盖的出口 out1（或在图形窗口中右键单击出口表面）。

* 点击 Create Cap(s) 完成此任务。

* 现在，几何体中的所有开口都被覆盖了。

7. **确认并更新边界**。

* 选择 Update Boundaries 任务，您可以在其中检查网格边界并确认以及更改任何指定的边界。

* Ansys Fluent 会自动尝试确定边界的正确排列。

* 所有建议的边界都是正确的，所以点击 Update Boundaries 并进入工作流程中的下一个任务。

1. **创建流体区域**。

* 选择 Create Regions 任务，您可以在其中确定需要提取的流体区域的数量。

* Ansys Fluent 会自动尝试确定要提取的流体区域数量。

* 在 Estimated Number of Fluid Regions 中，输入值 3。

* 我们预计流体区域将位于入口、出口和载体之间的流体区域。

* 点击 Create Regions。

* 提取的流体区域会显示在图形窗口中。

1. **更新您的区域**。

* 选择 Update Regions 任务，您可以在其中查看和更改从导入的几何体生成的各种区域的表格式名称和类型，并根据需要更改它们。

* 我们可以看到定义了三个流体区域，但是两个单独的载体区域被识别为固体区域。我们可以在此任务中更改它们的标识，并为其提供有用的名称。

* 在表格中，将两个载体固体区域更改为流体区域，并重新命名它们。

* 在 Region Name 下，找到 honeycomb.solid1 区域，双击并重新命名为 fluid:substrate:1。

* 对于该特定区域，在 Region Type 下，从下拉菜单中选择 fluid。

* 对 honeycomb_af0-solid1 区域重复该过程，将其重命名为 fluid:substrate:2。

* 点击 Update Regions 更新您的设置。

1. **添加边界层**。

* 选择 Add Boundary Layers 任务，您可以在其中设置边界层网格的属性。

* 对于 Add Boundary Layers 任务，确保在提示您是否要定义边界层设置时选择了 yes。在此任务中，您可以定义捕获几何体内部和周围的边界层的特定详细信息。

* 保持默认设置，然后点击 Add Boundary Layers。

11. **生成体积网格**。

* 选择 Generate the Volume Mesh 任务，您可以在其中设置体积网格本身的属性。

* 保持默认设置，然后点击 Generate the Volume Mesh。

* Ansys Fluent 将应用您的设置并继续为歧管几何形状生成体积网格。完成后，网格会显示在图形窗口中，并且会自动插入一个裁剪平面，绘制一层单元格，以便您可以快速查看体积网格的详细信息。

12. **检查网格**。

* Mesh → Check → Perform Mesh Check

13. **保存网格文件 (catalytic_converter.msh.h5)**。

* File → Write → Mesh...

14. **切换到解决方案模式**。

* 现在您已经使用 Ansys Fluent 网格划分模式生成了高质量的网格，您现在可以切换到求解器模式以完成模拟设置。

* 我们刚刚检查了网格，所以在提示您切换到解决方案模式时选择 Yes。

4.3. 常规设置

在 Domain 选项卡的 Mesh 组框中，设置长度单位。

* Domain → Mesh → Units...

这会打开 Set Units 对话框。

1. 在 Quantities 下选择 length。

2. 在 Units 下选择 mm。

3. 关闭 Set Units 对话框。

4. **检查网格**。

* 旋转视图并放大以获得显示的 **图 3.3：Fluent (求解器模式) 中催化转换器几何形状的网格 (p. 110**)。

4.4. 求解器设置

保留默认的求解器设置。

* Physics → Solver

4.5. 模型

1. 通过启用能量模型，允许在计算中考虑温度。

* 您可以直接从树中启用温度计算，方法是右键单击 Energy 节点并从上下文菜单中选择 On。

* Setup → Models → Energy

* On

2. 保留默认的 k-ω SST 湍流模型。

* 您将使用默认设置 k-ω SST 湍流模型，因此您可以直接从树中启用它，方法是右键单击 Viscous 节点并从上下文菜单中选择 SST k-omega。

* Setup → Models → Viscous

* Model → SST k-omega

4.6. 材料

通过从 Fluent 数据库的材料中复制，将氮气添加到流体材料列表中。

* Physics → Materials → Create/Edit...

a. 点击 Fluent Database... 按钮以打开 Fluent Database Materials 对话框。

* 在 Fluent Fluid Materials 选择列表中选择 nitrogen (n2)。

* 点击 Copy 将氮气信息复制到您的流体材料列表中。

* 关闭 Fluent Database Materials 对话框。

b. 点击 Change/Create 并关闭 Create/Edit Materials 对话框。

4.7. 单元区域条件

1. 设置第一个流体区域 (fluid:0) 的单元区域条件。

* Setup → Cell Zone Conditions → Fluid → fluid:0

* Edit...

* a. 从 Material Name 下拉列表中选择 nitrogen。

* b. 点击 Apply 并关闭 Fluid 对话框。

2. 对其他流体区域 (fluid:1 和 fluid:3) 执行相同的操作。

3. 设置第一个载体 (fluid:substrate:1) 的单元区域条件。

* Setup → Cell Zone Conditions → Fluid → fluid:substrate:1

* Edit...

* a. 从 Material Name 下拉列表中选择 nitrogen。

* b. 启用 Porous Zone 以激活多孔区模型。

* c. 启用 Laminar Zone 以在多孔区中无湍流地求解流动。

* d. 点击 Porous Zone 选项卡。

* i. 确保 **表 3.1：主方向向量的值 (p. 116**) 中设置了主方向向量。

* Ansys Fluent 会根据您对前两个向量的输入自动计算第三个 (Z 方向) 向量。方向向量确定粘性阻力和惯性阻力系数作用的轴。

* **表 3.1：主方向向量的值**

* **轴** | **方向-1 向量** | **方向-2 向量**

* X | 1 | 0

* Y | 0 | 1

* Z | 0 | 0

* ii. 对于粘性和惯性阻力方向，输入 **表 3.2：粘性和惯性阻力的值 (p. 117**) 中的值。

* Direction-1 和 Direction-2 设置为任意大的数字。这些值比 Direction-3 流动大几个数量级，并将使任何径向流动变得不重要。

* 向下滚动以访问最初不可见的字段。

* **表 3.2：粘性和惯性阻力的值**

* **方向** | **粘性阻力 (1/m2**) | **惯性阻力 (1/m**)

* Direction-1 | 1e+06 | 1000

* Direction-2 | 1e+06 | 1000

* Direction-3 | 1e+03 | 1000

* e. 点击 Apply 并关闭 Fluid 对话框。

4. 对另一个载体 (fluid:substrate:2) 重复这些步骤。

4.8. 边界条件

1. 在入口 (inlet) 设置速度和湍流边界条件。

* Setup → Boundary Conditions → Inlet → inlet

* Edit...

* a. 将 Velocity Magnitude 设置为 125 m/s。

* b. 在 Turbulence 组框中，从 Specification Method 下拉列表中选择 Intensity and Hydraulic Diameter。

* c. 将 Turbulent Intensity 设置为 5%。

* d. 将 Hydraulic Diameter 设置为 500mm。

* e. 点击 Thermal 选项卡并将 incoming fluid 的 Temperature 设置为 800 K。

* f. 点击 Apply 并关闭 Velocity Inlet 对话框。

2. 在出口 (outlet) 设置边界条件。

* Setup → Boundary Conditions → Outlet → outlet

* Edit...

* a. 保留 Gauge Pressure 的默认设置 0。

* b. 在 Turbulence 组框中，从 Specification Method 下拉列表中选择 Intensity and Hydraulic Diameter。

* c. 保留 Backflow Turbulent Intensity 的默认值 5%。

* d. 将 Backflow Hydraulic Diameter 设置为 500 mm。

* e. 点击 Thermal 选项卡并将 outgoing fluid 的 Backflow Total Temperature 设置为 800 K。

* f. 点击 Apply 并关闭 Pressure Outlet 对话框。

3. 保留其余默认的 (wall 和 interior) 边界条件。

4.9. 解决方案

1. 指定离散化方案。

* Solution → Solution → Methods...

* 保留默认设置。

2. 启用绘制出口的质量流量。

* Solution → Reports → Definitions→ New → Surface Report → Mass Flow Rate

* a. 将 Name of the surface report definition 设置为 surf-mon-1。

* b. 在 Create 组框中，启用 Report File, Report Plot 和 Print to Console。

* c. 在 Surfaces 选择列表中选择 Outlet。

* d. 点击 OK 保存表面报告定义设置并关闭 Surface Report Definition 对话框。

3. 初始化解决方案。

* Solution → Initialization

* 警告：

* 标准是建议用于多孔介质模拟的初始化方法。默认的混合方法不考虑多孔介质属性，并且根据边界条件，可能会产生不真实的初始速度场。对于多孔介质模拟，只有当在混合初始化对话框中启用了 Maintain Constant Velocity Magnitude 选项时，才应使用混合方法。

* a. 在 Method 下选择 Standard。

* b. 点击 Options... 打开 Solution Initialization 任务页面，该页面提供了对进一步设置的访问权限。

* a. 在 Solution Initialization 任务页面中，从 Compute from 下拉列表中选择 inlet。

* b. 保留标准初始化方法的默认设置。

* c. 点击 Initialize。

4. **保存案例文件 (catalytic_converter.cas.h5)**。

* File → Write → Case...

5. **启动计算**。

* Solution → Run Calculation → Run Calculation...

* a. 将 No. of Iterations 设置为 150。

* b. 点击 Calculate 开始迭代。

* 质量流量图会趋于平稳，如图 3.4：质量流量历史 (p. 124) 所示。由于在 150 次迭代后质量流量已经稳定，因此可以说解决方案已经收敛。

* **图 3.4：质量流量历史**

6. **保存案例和数据文件 (catalytic_converter.cas.h5 和 catalytic_converter.dat.h5)**。

* File → Write → Case & Data...

4.10. 后处理

1. 显示壁面。

* Results → Graphics → Mesh... → New...

* a. 在 Surfaces 选择列表中取消选择所有项，并确保仅选择 Wall 类别的表面。

* b. 点击 Save/Display 并关闭 Mesh Display 对话框。

2. 设置显示的照明。

* View → Display → Options...

* a. 确保在 Lighting Attributes 组框中启用了 Lights On。

* b. 保留 Lighting 下拉列表中选择 Automatic 的选择。

* c. 点击 Apply 并关闭 Display Options 对话框。

3. 设置壁面的透明度。

* View → Graphics → Compose...

* a. 选择 Names 选择列表中的所有表面。

* b. 在 Geometry Attributes 组框中点击 Display... 按钮以打开 Display Properties 对话框。

* i. 在 Visibility 组框中禁用 Edges, Perimeter Edges 和 Nodes。

* ii. 确保 Red, Green 和 Blue 滑块设置在最大位置（即 255）。

* iii. 将 Transparency 滑块设置为 70。

* iv. 点击 Apply 并关闭 Display Properties 对话框。

* c. 点击 Apply 并关闭 Scene Description 对话框。

4. 为后处理目的创建一个穿过几何形状的表面。

* Results → Surface → Create → Plane...

* a. 将 New Surface Name 设置为 y=-425。

* b. 从 Method 下拉列表中选择 ZX Plane。

* c. 将 Y 设置为 -425。

* d. 点击 Create。

5. 在域内的各个位置创建横截面平面：在第一个载体之前的入口处、第一个载体内部、载体之间的流体区域、第二个载体内部以及出口处第二个载体之后。

* Results → Surface → Create → Plane...

* a. 将 New Surface Name 设置为 z=185。

* b. 从 Method 下拉列表中选择 XY Plane。

* c. 将 Z 设置为 185。

* d. 点击 Create。

* e. 重复这些步骤，在 z=230, z=280, z=330 和 z=375 的剩余表面创建平面，并关闭 Plane Surface 对话框。

6. 在 y=-425 表面上显示速度向量 (图 3.5：内部的速度向量 (p. 132))。

* Results → Graphics → Vectors → New...

* a. 将 Vector Name 设置为 vector-vel。

* b. 在 Options 组框中禁用 Global Range。

* c. 在 Options 组框中启用 Draw Mesh 以打开 Mesh Display 对话框。

* i. 确保在 Surfaces 选择列表中选择了 Wall。

* ii. 将 Transparency 滑块设置为 70。

* iii. 点击 Display 并关闭 Mesh Display 对话框。

* d. 将 Scale 的值设置为 0.006。

* e. 在 Surfaces 选择列表中选择 y=-425。

* f. 点击 Save/Display 并关闭 Vectors 对话框。

* g. 重复步骤 3 来设置壁面的透明度。

* h. 旋转视图并调整放大倍数以获得如图 3.5：内部的速度向量 (p. 132) 所示的显示。

* **图 3.5：内部的速度向量**

* 流动模式表明，流动以射流的形式进入催化转换器，射流两侧存在回流。当它穿过多孔载体时，它会减速并变直，并表现出更均匀的速度分布。这使得载体中存在的金属催化剂更有效。

7. 在内部平面上显示静态压力的填充等高线 (图 3.6：内部静态压力等高线 (p. 134))。

* Results → Graphics → Contours → New...

* a. 将 Contour Name 设置为 contour-pressure。

* b. 确保在 Options 组框中启用了 Filled, Node Values 和 Boundary Values。

* c. 启用 Draw Mesh 以打开 Mesh Display 对话框。

* a. 确保在 Surfaces 选择列表中选择了 Wall。

* b. 点击 Display 并关闭 Mesh Display 对话框。

* d. 确保从 Contours of 下拉列表中选择了 Pressure... 和 Static Pressure。

* e. 在 Surfaces 选择列表中选择 y=-425。

* f. 点击 Save/Display 并关闭 Contours 对话框。

* 压力在中部区域变化迅速，因为流体速度在穿过多孔载体时发生变化。压力降可能很高，因为多孔介质的惯性和粘性阻力。

图 3.6：内部静态压力等高线**

8. 在 z=185, z=230, z=280, z=330 和 z=375 表面上显示速度大小的填充等高线 (图 3.7：z=185, z=230, z=280, z=330 和 z=375 表面上的速度大小等高线 (p. 136))。

* Results → Graphics → Contours → New...

* a. 将 Contour Name 设置为 contour-vel-mag。

* b. 确保在 Options 组框中启用了 Filled, Node Values 和 Boundary Values。

* c. 在 Options 组框中禁用 Global Range。

* d. 启用 Draw Mesh 以打开 Mesh Display 对话框。

* a. 确保在 Surfaces 选择列表中选择了 Wall。

* b. 点击 Display 并关闭 Mesh Display 对话框。

* e. 从 Contours of 下拉列表中选择 Velocity... 和 Velocity Magnitude。

* f. 在 Surfaces 选择列表中选择 z=185, z=230, z=280, z=330 和 z=375，并取消选择所有其他项。

* g. 点击 Save/Display 并关闭 Contours 对话框。

* 速度分布随着流体穿过多孔介质而变得更加均匀。速度在中心（红色区域）更高，氮气进入载体之前，然后随着它穿过并从第二个载体中出来而降低。绿色区域，对应于中等速度，范围增加。

* **图 3.7：z=185, z=230, z=280, z=330 和 z=375 表面上的速度大小等高线**

9. **保存案例和数据文件**。

* File → Write → Case & Data...