OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

本算例来自《ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual》中的VMFL052: Turbulent Natural Convection Inside a Tall Cavity

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顶部和底部壁面为绝热边界,左侧壁面(COLD_WALL)为288.25K,右侧壁面为(HOT_WALL)为   307.85K

流体的物性参数为:

密度:1.17kg/m3

粘度系数:1.81×10-5N·s/m2

运动粘度:1.54×10-5 m2/s

定压比热容:1005J/(kg·K)

导热系数:0.0261W/(m·K)

普朗特数:0.705

 

针对自然对流的方法一般有三种:

布辛尼斯克(Boussinesq)近似

不可压理想气体

密度线性差分方法

本算例采用布辛尼斯克(Boussinesq)近似,布辛尼斯克假设中密度作为常数考虑,浮力作为源项添加,但仅适用于小温差,密度变化小于20%的情况,一般壁面与流体的温差超过200K,布辛尼斯克近似就不适用了。

首先进行建模操作,任何建模软件均可,本算例采用ICEM直接建模,生成网格,然后利用OpenFOAM下转化网格,划分完成的网格局部如下: 

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网格比较密集,高度方向设置了2000个节点,宽度方向上设置了100个节点,在导出网格的同时,我们对网格进行了缩放。建议在导出网格的时候就缩放网格,避免在后面的操作中,由于忘记缩放网格,导致计算出错

接下来转入OpenFOAM的操作:

首先新建一个文件夹,名字任取,用来作为算例文件夹,本算例中我将该文件夹命名为:Tall_Cavity 

OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流_第3张图片

然后进入OpenFOAM的安装目录,将安装目录下的hotRoom算例(我的目录为/opt/openfoam5/tutorials/heatTransfer/buoyantBoussinesqSimpleFoam/hotRoom)下的0文件夹、constant文件夹和system文件夹拷贝到Tall_Cavity文件夹下,然后删除system目录下的blockMeshDict文件,因为我们利用OpenFOAM的命令转化.msh文件为OpenFOAM能接受的网格文件。

然后我们将刚才我们生成的.msh网格拷贝到Tall_Cavity文件夹下。在算例文件夹下打开终端,输入fluentMeshToFoam命令:

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    我们打开constant文件夹下的transportproperties文件,内容修改如下:

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说明一下:

OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流nu表示层流粘度,这里根据上面的物性填写1.81e-05即可,注意下量纲,这里是运动粘度,需要用动力粘度除以密度

beta表示热膨胀系数,一般取为三百分之一(0.003

Tref表示参考温度,这里我们取为两壁面温度的算术平均值,这里填写298.05

Pr表示普朗特数,这里我们根据上面的物性参数填写0.705

最后的湍流普朗特数根据实验得到,一般不用改动

 接下来,修改turbulenceProperties文件的内容如下:

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本算例我们采用k-ωSST湍流模型来进行计算(后面需要在0文件夹下添加omega文件

g文件无需修改,默认设置超Y轴方向重力,重力加速度为9.81m/s2

然后对初始边界条件进行设置,下面转入0文件夹下进行操作:

删除不需要的文件

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     alpha文件当中的内容如下:

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           p文件当中的内容如下:

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           p_rgh文件当中内容如下: 

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           U文件当中的内容如下:

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T.org的文件名修改为T,当中的内容如下: 

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OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

k文件当中的内容如下: 

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OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

说明一下:

在壁面处,k应该为0。这里我们使用了壁面函数。

k表示湍动能,计算公式为:

 

OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

其中:uavg为平均速度

      I为湍流强度

    湍流强度的计算公式为:

OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

    式中:Re表示雷诺数

    为何一般初始湍流强度设置为5%,可参考Launder B E, Spalding D B. The numerical computation of turbulent flow Computer methods in applied mechanics and engineering[J]. Надійшла до редакції 04.12. 2009 р, 1974.

MLA(文章链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0045782574900292)

omega文件当中的内容如下:

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OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

说明一下:

omega表示比耗散率,计算公式如下:

OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

式中:Cμ0.09

      k为湍动能

      l为特征长度

nut文件内容如下:

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OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

说明一下:

nut表示湍流粘度,其计算公式为:

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OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

接着我们设置controlDict文件

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OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

fvSchemes文件修改如下:

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OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

fvSolution文件修改如下:

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OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

为了加快计算速度,我们进行并行计算,回到算例文件夹下的system目录,新建一个decomposeParDict字典,其中的内容:

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OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

打开终端,输入decomposePar进行分块

 

 OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流_第21张图片

由于我安装了PyFoam来实时输出残差,所以在终端中输入pyFoamPlotRunner.py --clear mpirun -np 4 buoyantBoussinesqSimpleFoam -parallel开始计算:

 

OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

等到计算结束

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将计算结果导入paraview里面进行处理 

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计算结果与实验数据对比:

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OpenFOAM——高空腔内的湍流自然对流

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转载于:https://www.cnblogs.com/liusuanyatong/p/11259648.html

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