积鼎Virtualflow与Fluent的加热空气浮力效应仿真及对比分析

1 引言

一切非等温射流都可用重力（浮力）与惯性力综合作用下的阿基米德数 A r 来表示其运动特征。在工业上，烟气受热膨胀后，在浮力作用下上升，最终形成层化的烟气，而惯性力是描述烟气与空气层之间的水平剪切力，剪切力越大，掺混现象越容易发生。本文针对经典的室内空气流动案例，利用VIrtualFlow、Fluent软件计算的结果与试验数据进行对比，最终证明两款仿真软件与试验的误差基本在10%以内。

2 流体域与网格

长方形流体域的长度为9m，高度为3m，入口和出口段高度分别为0.168m、0.48m。

图1 流体域示意图

本算例中，VIrtualFlow采用笛卡尔网格，只需要如下流体域尺寸和设置加密区域，即可自动生成网格。Fluent的网格主要利用ICEM构建二维四边形网格，并在进出口水平段进行网格加密。网格划分这一点，VirtualFlow比Fluent便捷。

图2 VIrtualFlow网格

图3 Fluent网格

3 计算设置

本算例采用标准的k-epsilon湍流模型，介质空气，设置为不可压缩理想气体。

入口速度为0.455m/s，温度为20℃。出口设置为压力出口。下壁面设置为加热壁面，热流量为0.001W/m2。采用稳态进行计算，最终得到的结果如下。

4 计算结果

VirtualFlow与Fluent计算得到速度云图和温度云图如下。沿着上壁面流入的空气，大部分从左下角的出口流出，小部分空气会形成回流，然后在下壁面的加热作用下，温度小幅升高。从图8和图9可以看出，室内空气具有强浮力效应的流动，沿着地板增加恒定的热流，使冷射流在到达端壁之前发生偏转。

图4 速度云图-VirtualFlow

图5 速度云图-Fluent

图6 温度云图-VirtualFlow

图7 温度云图-Fluent

图8 流线图

图9 速度矢量图

由于空气加热以后产生浮力效应，流场中产生较大的旋涡，速度分布及其不均匀，所以可以提取流场中不同位置的速度与试验进行对比，验证VirtualFlow的计算精度。根据文献试验数据，对上述计算结果进行数据处理，得到不同位置的归一化速度数据，统计显示VirtualFlow与Fluent计算结果偏差非常小，其与试验数据的误差基本控制在5%以内，具体的结果如下图。

图10 x/H=1截面的相对速度对比

图11 x/H=2截面的相对速度对比

图12 y=h/2截面的相对速度对比

图13 y=H-h/2截面的相对速度对比

5 总结

运用VirtualFlow可以准确预测加热空气的浮力效应，其与Fluent软件、试验结果均能较好的吻合。VirtualFlow与Fluent等主流CFD软件相比，其主要优势在于可以自动生成高精度的网格。由于VirtualFlow的RANS、LES等湍流模型已在上百个场景验证，其求解精度与Fluent同一级别，满足大部分单相流、多相流场景的仿真需求。