【Fluent实例】汽车风挡除霜

本案例利用Fluent中的凝固/熔化模型计算汽车风挡除霜过程。

在案例中考虑以下问题：（1）除霜时间尺度大于车舱内空气流动时间尺度；（2）假设车舱内流动为稳态；（3）只有温度与液相体积分数随时间发生变化。

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启动Fluent

• 以3D、Double Precision方式启动Fluent

• 利用菜单File → Read → Mesh…读取网格文件EX10.msh

计算网格如图所示。

网格包含三个计算区域：车舱（流体域）、玻璃（固体域）、霜（流体域）。对于风挡除霜问题，一般建议玻璃和霜的区域采用棱柱层网格（六面体或三棱柱），车舱区域可以采用四面体或六面体网格。

• 双击模型树节点General，点击右侧额面板按钮Scale…弹出网格缩放对话框，如下图所示，选择设置View Length Unit In为in，点击Close按钮关闭对话框

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Models设置

• 鼠标右键选择模型树节点Models > Energy，点击弹出菜单项On激活能量方程

• 鼠标右键选择模型树节点Models > Viscous，点击弹出菜单项Model → Standard k-epsilon激活湍流模型

• 鼠标双击模型树节点Models > Solidification & Melting弹出设置对话框，如下图所示，激活选项Solidfication/Melting，其他参数保持默认设置，点击OK按钮关闭对话框

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Materials设置

本案例涉及到三种材料：空气（air）、玻璃（glass）以及冰水混合物（ice_water）。

1、修改材料air的参数

• 鼠标双击模型树节点Materials > Fluid > air，弹出设置对话框，如下图所示，材料参数保持默认设置

注：本案例中发生相变的材料仅为ice_water，但为了计算稳定，可设置空气凝固温度及液化温度均为一个较小的值，如设置凝固温度为1 K，设置液化温度为2 K。

2、创建材料ice-water

• 鼠标右键模型树节点air，点击弹出菜单项Copy…创建新材料

• 如下图所示设置材料属性

3、创建材料glass

• 鼠标双击模型树节点Materials > Solid > aluminum，弹出如下图所示设置对话框，按图中参数修改材料属性，点击按钮Change/Create按钮，弹出对话框中点击按钮Yes覆盖原有参数

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Cell Zone Conditions设置

• 鼠标双击模型树节点Cell Zone Conditions > fluid-15，弹出如下图所示对话框，设置Zone Name为cabin-cells，设置Material Name为air，其他参数保持默认设置，点击OK按钮关闭对话框

• 鼠标双击模型树节点Cell Zone Conditions > fluid-23，弹出如下图所示对话框，设置Zone Name为ice-cells，设置Material Name为ice-water，其他参数保持默认设置，点击OK按钮关闭对话框

• 鼠标双击模型树节点Cell Zone Conditions > solid，弹出如下图所示对话框，设置Zone Name为glass，设置Material Name为glass，其他参数保持默认设置，点击OK按钮关闭对话框

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Boundary Conditions设置

1、velocity-inlet-22设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > velocity-inlet-22弹出设置对话框，设置Velocity Magnitude为3.2 m/s

• 切换至Thermal标签页，设置Temperature为255.2 K

2、pressure-outlet-3设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > pressure-outlet-3弹出设置对话框，Momentum标签页中采用下图所示参数设置

• 切换至Thermal标签页，设置Temperature为273 K

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稳态计算

本案例先进行稳态计算，后面再切换到瞬态计算。

6.1 Methods设置

• 鼠标双击模型树节点Methods，右侧面板采用下图所示参数设置

6.2 Controls设置

• 右键选择模型树节点Solution > Controls，点击弹出菜单项Equations…打开设置对话框

• 取消选项列表项Energy，点击OK按钮关闭对话框

注：这里计算稳态时不考虑传热。

6.3 Initialization计算

• 鼠标双击模型树节点Initialization，右侧面板选择选项Standard Initialization

• 选择Compute from为velocity-inlet-22，点击按钮Initialize开始初始化

• 点击按钮Patch…按钮弹出对话框，如下图所示，设置区域ice-cells初始条件下x方向速度为0

• 初始化Y Velocity =0 , Z Velocity =0

• 初始化Turbulence Kinetic Energy = 1e-14，Turbulence Dissipation Rate = 1e-20

6.4 Run Calculations

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation，右侧面板设置Number of Iterations为300，点击按钮Calculate开始稳态计算

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 瞬态计算

7.1 General设置

• 鼠标双击模型树节点，右侧面板激活选项Transient启用瞬态计算

7.2 读取profile文件

• 利用TUI命令file/read-transient-table blow.tab读取table文件

出现线图所示提示表示文件读取成功。

7.3 Boundary Conditions设置

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > velocity-inlet-22弹出设置对话框，进入Thermal标签页，设置Temperature为blower temper

7.4 Controls设置

• 选择模型树节点Solution > Controls，点击弹出菜单项Equations…打开设置对话框

• 如下图所示，选择列表项Energy，取消选择Flow及Turbulence

注：这里假设车舱内流场稳定，仅考虑传热。

7.5 AutoSave设置

• 鼠标双击模型树节点AutoSave弹出设置对话框，如下图所示，设置Save Data File Every为40 Time Steps，点击OK按钮关闭对话框

7.6 Run Calculation

• 鼠标双击模型树节点Run Calculation，右侧面板设置Time Step Size为5，设置Number of Time Steps为200，点击按钮Calculate开始计算

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计算结果

查看风挡面上液相分布，以反映除霜效果。

• 利用菜单File → Read → Data…读取不同时刻的dat文件

• 鼠标双击模型树节点Results > Graphics > Contours，弹出如下图所示设置对话框，设置Contours of为Solidification/Melting…及Liquid Fraction，选择Surfaces为shield-outer-shadow

• 如下图所示为400 s时刻风挡上液相分布

• 如下图所示为600 s时刻风挡上液相分布

• 如下图所示为800 s时刻风挡上液相分布

• 如下图所示为1000 s时刻风挡上液相分布

动态图如下。