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2.1 流体的基本属性

流体的基本属性有比热容、密度和热导率、黏度、表面张力系数及壁面静态接触角。对于所有输入的数据,单位必须一致。

2.1.1 比热容

对于比热容,可以从以下性质类型中选择:CONSTANT,CMIX,TABLE。通过一个文件(floprp.ans)自定义,自编程子程序(USER)和表2-1所示的AIR的变化。

表2-1 AIR性质类型的单位

续表

在性质数据库中,ANSYS自动地提供AIR性质类型的相关输入。

如果性质类型为CONSTANT,那么就用FLDATA8、NOMI命令或等效菜单路径来设置性质的常数值。例如,可通过命令:FLDATA8,NOMI,SPHT,1.205将比热容设为1.205。

如果性质类型为CMIX,那么

式中 N——定义的组分数;

Y i ——i组分的质量分数;

C pi ——i组分的比热容。

如果性质类型为TABLE,那么比热容为由MPTEMP或MPDATA命令(或它们的GUI等值量)提供的数据点之间的线性插值。

2.1.2 密度和热导率

对于密度和热导率,可以选择的性质类型有CONSTANT,CMIX,TABLE,GAS,LIQUID,通过一个文件(floprp.ans)自定义及表2-1所示的AIR的变化。自编程子程序(USER)也是可以用的。仅仅对于密度,还有另外一个性质类型:CGAS。

(1)密度

如果性质类型为CONSTANT,那么就使用FLDATA8、NOMI命令或等效菜单路径设置性质的常数值。例如,通过命令:FLDATA8,NOMI,DENS,1.205将密度设为1.205。

如果性质类型为GAS,对于密度就使用理想气体定理。对于这个选项可以这样确定密度,即

如果性质类型为LIQUID,那么对密度就使用一个以温度为函数的二阶多项式,即

如果性质类型为CMIX,那么

式中 N——定义的组分数;

Y i ——i组分的质量分数;

P i ——i组分的密度。

如果性质类型为CGAS,那么

式中 N —— 定义的组分数;

Y i —— i组分的质量分数;

M i —— i组分的相对分子质量;

R —— 摩尔气体常数;

P —— 绝对压力。

如果性质类型为TABLE,密度为由MPTEMP或MPDATA命令(或它们的GUI等值量)提供的数据点之间的线性插值。

如果性质类型为USER,则在自编程的子程序UserDens中计算密度。在这个子程序中有4个可用的系数:NOMI,COF1,COF2,COF3。

(2)热导率

如果性质类型为CONSTANT,那么就用FLDATA8、NOMI命令或等效菜单路径来设置性质的常数值。例如,可通过命令:FLDATA8,NOMI,COND,1.205将热导率设为1.205。

如果性质类型为GAS,则对热导率使用气体的Sutherland定律。可输入参数NOMI,COF1,COF2。

理想气体常数R定义为(COF2/NOMI×COF1)

热导率(Property):

如果性质类型为LIQUID,那么就对热导率使用Sutherland液体定律。

热导率(Property):

如果性质类型为CMIX,那么

式中 N——定义的组分数;

Y i ——i组分的质量分数;

K i ——i组分的热导率。

如果性质类型为TABLE,则密度为由MPTEMP或MPDATA命令(或它们的GUI等值量)提供的数据点之间的线性插值。

如果性质类型为USER,则在自编程的子程序UserCond中计算热导率。在这个子程序中有4个可用的系数:NOMI,COF1,COF2,COF3。

2.1.3 黏度

对于黏度,可以选择的性质类型有CMIX,TABLE,CONSTANT,LIQUID,GAS,Power Law(POWL),Bingham(BING),Carreau(CARR),通过一个文件自定义(floprp.ans)和自编程子程序(USER或USRV)。AIR和GAS性质类型假设为一种具有恒定比热容的理想气体。黏度和热导率随温度的变化,假设遵循气体的Sutherland定律。LIQUID假设为一个密度随温度变化的二次多项式,比热容恒定,以及对于密度和热导率的液体的Sutherland定律。

黏度作为速度梯度的函数,通过非牛顿黏度类型呈现:Power Law,Bingham andCarreau。

如果性质类型选项为CONSTANT,那么就用FLDATA8、NOMI命令或等效菜单路径来设置性质的常数值。例如,可通过命令:FLDATA8,NOMI,VISC,1.205将黏度设为1.205。

如果性质类型为GAS,对于黏度就使用气体的Sutherland定律。可以输入参数NOMI、COF1和COF2。

摩尔气体常数R定义为(COF2/NOMI×COF1)

黏度(Property):

作为使用这种关系的一个例子,假设计算以温度为函数的黏度时有两个数据点时可用:

黏度= 4.18×10 -5 at T = 760

黏度= 5.76×10 -5 at T = 1010

把第一个数据点视为名义值,这就意味着NOMI=4.18x10 -5 及COF1=760。在Sutherland关系式中应用这些:

通过把Property设为5.76x10 -5 及T=1010,使用剩下的那个数据点来计算COF2。因此,可根据数据点计算常数。

如果性质类型为LIQUID,那么对黏度就使用Sutherland液体定理。

黏度:

如果性质类型为POWL,那么对黏度就使用非牛顿Power Law模型

如果性质类型为BING,那么对黏度就使用非牛顿Bingham模型

如果性质类型为CARR,那么

如果性质类型为CMIX,那么

式中 N——定义的组分数;

Y i ——i组分的质量分数;

U i ——i组分的黏度。

如果性质类型为TABLE,则密度为由MPTEMP或MPDATA命令(或它们的GUI等值量)提供的数据点之间的线性插值。

如果性质类型为USRV或USER,则在自编程的子程序UserVisLaw中计算密度。在这个子程序中有4个可用的系数:NOMI,COF1,COF2,COF3。

2.1.4 表面张力系数

对于表面张力系数,可以在以下性质类型中选择:CONSTANT,LIQUID和自编程子程序(USER)。

如果性质类型为CONSTANT,使用FLDATA8,NOMI命令或者等效菜单路径。例如,使用命令:FLDATA8,NOMI,SFTS,73.0设置表面张力系数为73.0。

如果选项为LIQUID,一个关于温度函数的二次多项式用于表面张力系数

Surface tension coefficient = NOMI + COF2×(T-COF1) + COF3×(T-COF1) 2

如果选项为USER,表面张力系数在用户自编程子程序UserSfts中被计算。4个系数NOMI, COF1, COF2和COF3在这个子程序中可以使用。

2.1.5 壁面静态接触角

对于壁面静态接触角,CONSTANT是唯一有效的性质类型。

为了设置常数值,就使用FLDATA8、NOMI命令或等效菜单路径。例如,可通过命令:FLDATA8,NOMI,WSCA,120.0,将壁面静态接触角设为120.0°。

壁面静态接触角默认为90°。角度小于90°表示一个带黏性的壁面条件。角度在90°~180°之间表示一个无黏着力的壁面条件。实际上,静态接触角不仅仅是流体的一个材料性质,而且取决于局部流体的壁面条件。为了方便起见,FLOTRAN把它视为一个单一的输入常数。

2.1.6 设置流体性质的一般准则

必须使用一组一致的单位(重力常数 必须一致)。当然,建立有限元模型时必须假设适当的长度单位。

用以下命令设置流体性质类型:

对于Label,可以指定以下之一:DENS(密度),VISC(黏度),COND(热导率),SPHT(比热容)或SFTS(表面张力系数)。

对于value,可以确定一个表2-2 所列性质类型中的任意一个,或者确定一个流体性质的表格。为了确定一个表格,把表格名称放入百分比符号(%)中(如FLDATA7,PROT,DES,%Table%)。

(1)使用流体性质表格

如果交互式地工作,在使用表格施加载荷前要定义一个新的表格。可以通过UtilityMenu→Parameters→Array Parameters→Define/Edit菜单命令,或者通过*DIM命令的批处理方式来定义一个表格。如果交互式地工作,就会通过一系列的对话框来定义表格。如果是以批处理方式工作,需要在发出任何一个加载命令前定义表格。

定义表格时,可以定义以下基本变量:

温度(TEMP);

压力(PRESSURE);

时间(TIME);

X坐标(X);

Y坐标(Y);

Z坐标(Z);

速度(VELOCITY);

参考X坐标(Xr)(仅对ALE公式);

参考Y坐标(Yr)(仅对ALE公式);

参考Z坐标(Zr)(仅对ALE公式)。

括号中显示了*DIM命令使用的有效标签。

如果需要确定一个除列出来的变量之外的变量,可以通过定义一个自变量来实现。为了确定一个自变量,对自变量定义一个另外的表格。这个表格必须和自变量有相同的名称,并且是一个基本变量或另一个自变量的函数。

(2)确定性质类型

表2-2描述了可以确定的性质类型。

表2-2 确定性质类型

续表

一旦选择了性质类型,就不必确定性质的任何一个系数。如果将characters_B添加到性质类型中(如上面所列的AIR类型中),理想气体定律计算中的压力就位于相应于大气压力的恒定密度处。热导率和比热容的长度及时间单位必须与其余的性质保持一致。这些量中的能量单位没有限制。

如果使用性质类型为CONSTANT、GAS或LIQUID,就必须确定性质常数。为了这样做,要么发布以下所示的命令,要么就选择以下菜单路径之一:

如果使用命令,就在每个命令的标号栏中输入性质,并且在每个命令的值栏中自己输入值。

GAS和LIQUID输入方程的格式倾向于计算已选择的数据点上的常数。所有的情况都把COF1视为绝对温度,此处已选择的性质有通过NOML设置的值(使用Using ReferenceProperties讨论了使用相对温度和一个偏移温度来计算绝对温度,这在COF1规范中不使用,COF1总是为一个绝对温度)。

一旦把值插入到NOMI和COF1的以下关联中,如果有必要的话,COF2和COF3可分别根据1~2个数据点的信息得到。计算GAS和LIQUID性质类型的COF2和COF3时,必须使用这些关联中的绝对温度和压力。如果COF1设为零,在通过NOMI设置的值处性质就会变为常数。对于GAS和LIQUID性质类型,比热容为常数,因此,就不需要参数COF1、COF2和COF3。对于黏度类型Power Law、Bingham和Garreau、NOMI、COF1、COF2及COF3有不同的解释。 P+CUPv3ttdbvGjNJMWLOlv1gGrCCnOJlTz7G1dV4cCptDpxHZooZMmWXzQnNNC1s

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