CFX学习案例:烟囱排入大气流场计算

本案例将学习以下内容:

1.多个配置(multiple configurations)计算文件的设置方法;
2.附加变量(additional variables)的添加方法。
在本例中,烟囱释放的烟雾以1m/s的迎面侧风扩散到大气中。湍流将设置为强度和长度标度,值为0.05,对应于5%的湍流,中等强度,涡流长度标度值为 0.25m。本教程的目标是模拟烟囱烟气随时间的扩散。稳态计算不同,本示例为瞬态计算:最初,没有烟雾释放;随后,可以生成一个动画,来演示烟雾如何随时间发展。

CFX学习案例:烟囱排入大气流场计算的图1

添加附加变量变量(additional variables)过程为Insert > Expressions, Functions and Variables > Additional Variable。
LIBRARY:
 &replace ADDITIONAL VARIABLE: smoke
  Option = Definition
   Tensor Type = SCALAR
   Units = [kg m^-3]
   Variable Type = Volumetric
END
END

首先对稳态数值计算进行设置,计算域的设置包含附加变量的相关设置:

标签

设置


Basic

Settings

Location and Type> Location

‍B1.P3

Fluid and Particle Definitions

Fluid 1


Fluid and Particle Definitions
> Fluid1 > Material
Air at 25 ℃

Domain Models > Pressure
 > Reference Pressure

0 [atm]

Fluid Models

Heat Transfer > Option

None


Additional Variable Models > Additional Variable smoke

Additional Variable Models > Additional Variable > smoke (Selected)

Additional Variable Models‍ ‍> Additional Variable >smoke > Kinematic Diffusivity (Selected)

Additional Variable Models> Additional Variable > smoke > Kinematic Diffusivity > Kinematic Diffusivity 1.0E-5[m^2 s^-1](代表烟雾在空气中运动扩散速率)

空气进口边界条件的创建及设置:Insert > Boundary >Set Name to Wind

标签

设置


Basic
Settings

Boundary Type

Inlet

      Location

Wind‍
Boundary
Details

Mass and Momentum > Option

Cart. Vel. Components

Mass and Momentum > U

1 [m s^-1]

Mass and Momentum > V

0 [m s^-1]

Mass and Momentum > W

0 [m s^-1]


Turbulence > Option Intensity and Length Scale

Turbulence > Fractional Intensity 0.05

Turbulence > Eddy Length Scale  0.25 [m]

Additional Variables > smoke > Option Value

Additional Variables > smoke > Add. Var. Value 0 [kg m^-3]

大气开放边界条件的创建及设置:Insert > Boundary >Set Name to Atmosphere。

标签

设置


Basic
Settings

Boundary Type

Opening

   Location

Atmosphere‍
Boundary
Details

Mass and Momentum > Option

Opening Pres. and Dirn


Mass and Momentum > Relative Pressure

0 [Pa]

Flow Direction > Option

Normal to Boundary Condition




Turbulence > Fractional Intensity 0.05

Turbulence > Eddy Length Scale  0.25 [m]

Additional Variables > smoke > Option Value

Additional Variables > smoke > Add. Var. Value 0 [kg m^-3]

烟雾进口边界条件的创建及设置:Insert > Boundary >Set Name to Vent。

标签

设置


Basic
Settings

Boundary Type

Inlet

Location

Vent‍
Boundary
Details

Mass And Momentum > Normal Speed

0.01 [m s^-1]

Turbulence > Option Turbulence > Option Intensity and Eddy Viscosity Ratio

Turbulence > Fractional Intensity 0.05




Additional Variables > smoke > Option Value

Additional Variables > smoke > Add. Var. Value 0 [kg m^-3]

初始值按照默认给定即可。

求解控制的设置:

标签

设置


Basic
Settings

Advection Scheme > Option

High Resolution

Convergence Control > Max. Iterations

     75

Convergence Control > Fluid Timescale Control >Timescale Control

Auto Timescale

Convergence Control > Fluid Timescale Control > Timescale Factor

1.0

‍Convergence Criteria > Residual Type

RMS

Convergence Criteria > Residual Target


通过上述步骤完成了稳态的计算设置,接下来将稳态计算的设置复制一个,进行修改完成对瞬态计算的设置。

瞬态计算总时间为30 s,时间步长设置为4*0.25, 2*0.5, 2*1, 13*2 s,这样设置是给定了变化的时间步长,即第一秒的时间步长为0.25 s,第二秒的时间步长为0.5 s,以此类推。为方便更改,先创建表达式ExpFunction对烟雾进口(Vent)烟雾的流量进行定义。

CFX学习案例:烟囱排入大气流场计算的图2

LIBRARY:
 CEL:
  &replace EXPRESSIONS:
    ExpFunction = FinalConcentration*abs(1-exp(-t/TimeConstant))
    FinalConcentration = 1 [kg m^-3]
    TimeConstant = 3 [s]
     END
 END
END

在烟雾进口(Vent)边界条件中,将流速更改为0.2 [m s^-1],并将添加的附加变量smoke进行更改,Additional Variables > smoke > Add. Var. Value > ExpFunction。

在求解设置中,将最大迭代次数设置为3,即Convergence Control > Max. Coeff. Loops to 3。

在输出控制中,在瞬态结果中设置两个瞬态结果输出,在输出变量中给定Pressure,Velocity,smoke,第一个瞬态结果输出(Transient Results 1)中给定时间列表(Time List)为1, 2, 3 s,第二个瞬态结果输出(Transient Results 2)中给定时间间隔(Time Interva)为4 s。

基于以上设置完成了对稳态与瞬态计算的设置,接下来对计算的配置(Configuration )进行设置。分别创建两个计算配置,即Simulation Control > Configurations and select Insert > Configuration > Set Name to Steady State/Transient。Steady State中,稳态布局对应稳态计算的设置部分,即Flow Analysis选择Steady State Analysis,Activation Conditions > Activation Condition 1 > Option选择Start of Simulation;在Transient中,瞬态布局对应瞬态计算的设置部分,并设置接着稳态计算结束后计算,即Flow Analysis选择Transient Analysis,Activation Conditions > Activation Condition 1 > Option选择End of Simulation,Activation Conditions > Activation Condition 1 > Configuration Name选择Steady State,并在Initial Values中选择稳态计算的结果作为初始值。设置完成后输出计算文件(CircVent.mdef)并开始计算即可。

计算结果:

CFX学习案例:烟囱排入大气流场计算的图3

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