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重力驅動流演示模型

問題描述

3個水箱安裝在不同高度，落差分別為1.5米，底部有水管相連。初始時刻，打開閥門，讓水流在重力下自由流動，分析30秒內，每個水箱的液體容積變化。

一維CFD模型示意圖

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Flow Simulator 元件說明

Tank

? Tank有3種類型，差別在于空氣壓力的處理方法不同

• Open Tank：水箱內的空氣自由流進/出，壓力和環境相同，底部僅輸運液體。

• Tank with Bladder：水箱內的空氣不能逃逸，底部僅輸運液體。

• Vented Tank：水箱內的空氣可以通過頂部相連的元件流進/出，底部僅輸運液體。

• 水箱Tank輸入參數：形狀/尺寸，安裝高度，初始液位，環境壓力，液體類型。

• 當最高位置的水箱液體開始流出，空氣通過環境壓力流入補充。

• 管路Tube 輸入參數：長度，截面形狀，粗糙度。對于壓力或溫度沿程變化不大的，Number of Stations可以設置為最小值=2，加速收斂。

• 最低位置水箱的頂部通氣孔Orifice輸入參數：截面積，損失系數或流量系數。當有液體注入，頂部空氣通過Orifice溢出。

• 外部邊界條件Plenum輸入參數：靜壓和溫度。

? 分析類型：Transient Flow 瞬態流動，不求解溫度場

大部分情況下，包含有Tank元件的模型都是瞬態計算。如果切換到穩態計算，Tank流出的液體必須通過連接件再注入， 保持系統的液體質量守恒。

? 求解器控制

• 分析時間：30秒。

• 時間步長：0.2秒。

• 初始化類型：User-defined。

• 結果輸出頻率：1秒。

? Run Model，筆記本計算時間1.6秒

? 后處理用Results Table工具查看水箱容積變化曲線

? 數據可導出為Excel

3個水箱容積隨時間的變化

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應用場景

GE航空發電機的軸承油路計算

問題描述：飛機的備用發電機是在緊急情況下使用的，因此其具有一套獨立的潤滑和冷卻系統。這套滑油系統要求潤滑油可以在重力作用下，從軸承的空腔通過油槽下落到底部的油底殼中，然后再被油泵吸入，進行下個循環。工程師需要在產品設計初期，對油路布局和尺寸進行多方案的評估。

滑油路徑示意圖

? 該模型搭建用到了4種類型的元件

• Elevation：考慮重力勢能的腔體，用于計算壓力/速度的變化（黃色是邊界，灰色是內部節點）。

• Tube：剛性直管路，用于連接上下游，考慮截面積變化和沿程阻力損失。

• Bend：肘管，用于連接上下游，考慮不同的截面積形狀和彎曲半徑。

• T-Junction：三通件，用于流動的匯合和分叉。

一旦完成初始模型搭建和驗證，下一步便可以進行參數組合和優化分析，快速找到最優解。

滑油一維模型

本期的Flow Simulator案例：重力驅動的流動分享就到這里啦，下一期我們將分享更多實用功能，敬請期待。