CFD 专栏丨 Flow Simulator 案例：重力驱动的流动

重力驱动流演示模型

问题描述

3 个水箱安装在不同高度，落差分别为 1.5 米，底部有水管相连。初始时刻，打开阀门，让水流在重力下自由流动，分析 30 秒内，每个水箱的液体容积变化。

一维 CFD 模型示意图

Flow Simulator 元件说明

Tank

► Tank 有 3 种类型，差别在于空气压力的处理方法不同

●Open Tank：水箱内的空气自由流进/出，压力和环境相同，底部仅输运液体。

●Tank with Bladder：水箱内的空气不能逃逸，底部仅输运液体。

●Vented Tank：水箱内的空气可以通过顶部相连的元件流进/出，底部仅输运液体。

●水箱 Tank 输入参数：形状/尺寸，安装高度，初始液位，环境压力，液体类型。

●当最高位置的水箱液体开始流出，空气通过环境压力流入补充。

●管路 Tube 输入参数：长度，截面形状，粗糙度。对于压力或温度沿程变化不大的，Number of Stations 可以设置为最小值=2，加速收敛。

●最低位置水箱的顶部通气孔 Orifice 输入参数：截面积，损失系数或流量系数。当有液体注入，顶部空气通过 Orifice 溢出。

外部边界条件 Plenum 输入参数：静压和温度。

► 分析类型：Transient Flow 瞬态流动，不求解温度场

大部分情况下，包含有 Tank 元件的模型都是瞬态计算。如果切换到稳态计算，Tank 流出的液体必须通过连接件再注入， 保持系统的液体质量守恒。

► 求解器控制

●分析时间：30 秒。

●时间步长：0.2 秒。

●初始化类型：User-defined。

●结果输出频率：1 秒。

► Run Model，笔记本计算时间 1.6 秒

► 后处理用 Results Table 工具查看水箱容积变化曲线

► 数据可导出为 Excel

3 个水箱容积随时间的变化

应用场景

GE 航空发电机的轴承油路计算

问题描述：飞机的备用发电机是在紧急情况下使用的，因此其具有一套独立的润滑和冷却系统。这套滑油系统要求润滑油可以在重力作用下，从轴承的空腔通过油槽下落到底部的油底壳中，然后再被油泵吸入，进行下个循环。工程师需要在产品设计初期，对油路布局和尺寸进行多方案的评估。

滑油路径示意图

► 该模型搭建用到了 4 种类型的元件

Elevation：考虑重力势能的腔体，用于计算压力/速度的变化（黄色是边界，灰色是内部节点）。

Tube：刚性直管路，用于连接上下游，考虑截面积变化和沿程阻力损失。

Bend：肘管，用于连接上下游，考虑不同的截面积形状和弯曲半径。

T-Junction：三通件，用于流动的汇合和分叉。

一旦完成初始模型搭建和验证，下一步便可以进行参数组合和优化分析，快速找到最优解。

滑油一维模型

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