fluent模拟静态气体扩散

Question

利用fluent软件对静态气体扩散进行模拟
初始条件为三团sf6气体云团，密度为1.101kg/m3,体积分数为23%，初始半径为1m，三个云团的中心坐标为24，81）（21，68（26、81）
计算域大小为1000×200m

Answer 1

引自免费微信小程序：皆我百晓生

针对您的问题，使用Fluent软件对静态气体扩散进行模拟，以下是详细的步骤和相关设置说明：

一、模型建立与网格划分

1. 创建几何模型 在CAD软件（如ANSYS SpaceClaim、AutoCAD等）中，根据计算域大小（1000×200m）构建一个长方体几何模型，并在相应位置放置三个sf6气体云团中心点（(24, 81)，(21, 68)，(26, 81)）。注意，坐标系应与Fluent软件中的坐标系保持一致。

2. 网格划分 将几何模型导入到Fluent Meshing中进行网格划分。考虑到气体扩散模拟对网格质量的要求较高，建议采用结构化网格或高质量的非结构化网格。对云团区域可适当加密网格以提高分辨率。确保网格尺寸能准确捕捉到气体扩散过程。

二、Fluent设置与求解

1. 启动Fluent并导入网格 打开Fluent软件，选择对应版本（如Fluent 19.0或更高版本），导入已划分好的网格文件。

2. 定义物理模型

   • 流动模型：由于模拟的是静态气体扩散，选择Incompressible（不可压缩流）模型。
   • 湍流模型：由于气体扩散主要受分子扩散影响，可关闭湍流模型或选择Laminar（层流）模型。
   • 物质输运：启用Species Transport（组分输运）模型，添加sf6组分，并设置其初始体积分数为23%。

3. 边界条件设定

   • 入口/出口：由于模拟静态气体扩散，无需设置入口和出口边界条件。

   • 壁面：设定所有固体壁面为No Slip Wall，且对sf6组分设定Zero Gradient条件。

   • 初始条件：

     • 在云团区域内设定sf6气体的密度为1.101 kg/m³。这通常在用户定义函数（UDF）或Fluent的Cell Zone Conditions中实现，具体取决于您使用的Fluent版本。对于较新版本，可以使用以下Python脚本定义UDF（假设云团为球形，且坐标系为笛卡尔坐标）：

     # 导入所需模块
     from fluent import udf, openudf
     from math import sqrt
     
     # 定义密度设定函数
     @udf.udf()
     def set_density(density, cell_center):
         x, y, z = cell_center.x, cell_center.y, cell_center.z
         centers = [(24, 81), (21, 68), (26, 81)]
         radii = [1, 1, 1]  # 半径均为1m
     
         for i in range(len(centers)):
             center_x, center_y = centers[i]
             r = sqrt((x - center_x)**2 + (y - center_y)**2)
             if r <= radii[i]:
                 return density  # 在云团内返回设定密度
         return 0  # 在云团外返回0，即空气密度
     
     # 注册密度设定函数
     udf.add_variable('density', 'set_density')
     

     然后在Fluent中将此UDF文件加载，并在Cell Zone Conditions中选择User Defined，变量为density。

   • 时间步长与迭代次数：由于是静态模拟，时间步长可设为一个较小的固定值（如1e-5 s），总迭代次数根据精度需求自行设定。

三、求解与结果后处理

1. 求解 设置完成后，开始求解。监控残差曲线，确保收敛后再进行下一步。

2. 结果后处理 求解结束后，通过Fluent的后处理功能或将其导出至ParaView等专业后处理软件进行可视化分析。关注以下关键数据：

   • sf6气体浓度分布：通过等值面、切片或矢量图展示气体扩散情况。
   • 分子扩散系数影响：观察不同扩散系数设定下气体扩散差异，评估其对模拟结果的影响。

以上就是使用Fluent软件对静态气体扩散进行模拟的详细步骤。请注意，实际操作时需根据Fluent版本和具体项目需求进行适当调整。如果您在过程中遇到问题，欢迎继续提问。