本算例来自《ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual》中的VMFL009: Natural Convection in a Concentric Annulus

外环温度为327K,内环温度为373K

圆环内流体的物性参数为:

对于一般的流动来说,可以通过临界雷诺数的大小来判断流态。而对于自然对流来说,流动的驱动力为浮力,为了反映由于温差引起密度的变化,从而产生浮力驱动流体流动,在自然对流中我们经常使用瑞利数(Ra)来判断流态。

首先进行建模操作,任何建模软件均可,本算例在ICEM建模和进行网格划分,生成的网格如下:

接下来转入OpenFOAM的操作:

首先新建一个文件夹,名字任取,本算例中我将该文件夹命名为:Annulus

然后进入OpenFOAM的安装目录,将安装目录下的buoyantCavity算例(我的目录为/opt/openfoam5/tutorials/ heatTransfer/ buoyantSimpleFoam/ buoyantCavity)下的0文件夹、constant文件夹和system文件夹拷贝到Annulus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,删除system目录下的sample文件,删除0文件夹下的alphat,epsilon, k,nut, omega这些文件,因为本算例不会用到这些文件。

然后将刚才导出的网格文件拷贝到Annulus文件夹下,在Annulus文件夹下打开终端,输入fluentMeshToFoam命令(由于从ICEM当中导出模型的时候就已经进行了缩放,所以这里不用缩放网格):

我们打开constant文件夹下的thermophysicalProperties文件,修改如下:

说明一下:

我们设置equationOfState关键字为incompressiblePerfectGas,因为本算例温度变化较大,而密度变化很小,可以将密度视为温度的函数,所以采用不可压理想气体可保证准确性的前提下,有更好的收敛性。然后我们通过在mixture下面增加

equationOfState

{

pRef          101325;

}

来指定参考压力为101325,因为针对不可压理想气体,其密度为:

更进一步详细的内容,请见《OpenFOAM User Guide》第七章第1节《Thermophysical models》

接着修改turbulenceProperties文件,此处我们将模拟类型设置为层流(laminar)

g文件可保持不变,因为这里我们也需要施加沿y负向的重力

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:

修改0文件夹下U、p、p_rgh和T文件:

p文件当中的内容如下:

p_rgh文件当中的内容如下:

T文件当中的内容如下:

U文件当中的内容如下:

接着我们设置controlDict文件

fvSchemes文件修改如下:

说明一下:

这里修改div(phi,U)和div(phi,h)为线性迎风格式(linearUpwind)

fvSolution文件修改如下:

说明一下:

我们需要修改p_rgh的求解器,solver使用PCG,preconditioner使用DIC,如果使用仍然使用buoyantCavity算例下的GAMG求解器,计算将非常缓慢。

为了加快计算,我们采用分块并行计算

首先我们在system目录下添加一个decomposeParDict文件,文件的内容为(该文件可从溃坝算例下直接拷贝过来,我的位置为/opt/openfoam5/tutorials/multiphase/interFoam/laminar/damBreak/damBreak/system/decomposeParDict):

然后我们在终端中输入decomposePar进行分块:

回到算例文件夹下,打开终端,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 buoyantSimpleFoam -parallel开始计算:

等到计算结

将计算结果导入paraview里面进行处理

速度云图:

温度云图:

流线图

Tecplot处理结果:

速度云图:

温度云图:

计算结果与实验数据对比:

AA线上温度分布:

BB线上温度分布:

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