Fluent毛细现象模拟

1. 毛细现象概念

1.1 毛细现象概念

毛细现象是指浸润液体在细管中上升和不浸润液体在细管中下降的现象。其原理在于液体的表面张力和液体与管壁之间的相互作用。

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如果液体浸润管壁，管内液面会高于管外，形成凹液面，产生向上的拉力，使液体上升；如果液体不浸润管壁，管内液面会低于管外，形成凸液面，导致液体下降。

1.2 毛细现象应用与实例

植物茎内的导管可以利用毛细现象将土壤里的水分吸上来，供植物生长。

纸巾通过毛细现象吸收液体，其细孔材质使得液体能够被吸收。

     动图
   

在水文学中，毛细现象解释土壤对水的吸引力，影响土壤水分的分布。

2. 问题描述

本例为水杯中插入毛细管，由于毛细现象的原因，水在水杯壁面、毛细管壁面和毛细管内部会出现上升或者下降的现象。模型为二维模型，水杯尺寸为0.025m*0.025m，毛细管尺寸为0.001m。

3. 基本设置

3.1 导入网格

使用Fluent软件打开Chapter84.cas文件，文件在本文末尾链接资源内。注意，本案例为2D模型，打开Fluent软件时需勾选2D

3.2 修改模型尺寸

本案例模型尺寸以m为单位，需要缩放0.5倍

打开Scale mesh，勾选Specify Scaling Factors，在Scaling Factors中的X、Y都设置为0.5，表示模型缩放0.5倍。单击Scale后，模型缩放。缩放后模型尺寸为0.025*0.025

Scale mesh详细操作可参考文章：Fluent 模型缩放Scale Mesh设置

3.3 求解器设置

此处保持默认设置即可。基于压力求解器，瞬态设置，勾选重力y方向为-9.81

4. 设置计算模型

4.1 能量方程

不打开能量方程

4.2 湍流模型设置

本案例湍流方程选择层流laminar模型

4.3 多相流模型

多相流模拟选择VOF两相流模型

Formulation选择Explicis；Type选择Sharp；这两个操作的目的是为了VOF空间离散格式可以选择Geo-Reconstruct，只有在上述两个都勾选的情况下，才可以选择Geo-Reconstruct。

VOF空间离散格式选择Geo-Reconstruct，多相流界面会比较清晰。

5. 材料设置

5.1 材料设置

在Materials界面选中air，单击下面的Create/Edit，依次点击Fluent Database，选中water，点击下面的Copy。会在Materials界面显示water材料

5.2 多相流材料设置

回到多相流界面，在Phase界面设置主相Primary Phase为空气air，次相Secondary Phase设置为液态水water-liquid，即刚才设置的两种材料。

5.3 壁面粘附设置

在Phase Interaction界面设置表面张力和壁面粘附。

Surface Tension Coefficients：选择constant，设置为0.0728N/m。表示设置表面张力系数为0.0728N/m。

表面张力是由于液体跟气体接触的表面分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为张力。

Surface Tension Force Modeling：两种表面张力模型，分别用不同的方式计算表面张力，选择Continuum Surface Force

Adhesion Options：粘附模型，选择壁面粘附Wall Adhesion，表示考虑壁面的液体的相互作用。

注：

只有Surface Tension Coefficients不为none，才能选择Surface Tension Force Modeling

只有选择Adhesion Options，才能在边界条件设置接触角

6. 计算域设置

保持默认即可

7. 操作条件设置

设置重力加速度为y方向-9.81，操作压力和操作密度保持默认

8. 边界条件设置

8.1 top设置

top设置为压力出口pressure-outlet

8.2 wall设置

双击left，确定Phase为mixture，设置contact Angles为30°，点击Apply

接触角contact Angles为30°，表示壁面材料亲水，具体内容可参考文章：

回到边界条件界面，单击Copy

在From Boundary Zone选择left，在To Boundary Zones选择bottom、right、tube，点击Copy。

表示将bottom、right、tube的边界条件设置成和left相同

9.求解设置

9.1 求解方法

在Solution Methods界面Volume Fraction的空间离散格式选择Geo-Reconstruct几何重构，几何重构格式能够精确捕捉界面，使界面更加清晰。

9.2 求解控制

保持默认设置

10. 初始化

标准初始化，water Volume Fraction设置为0。点击Initialize，完成初始化

接下来进行patch操作，详细操作可看文章：七十六、Fluent初始化patch和UDF详解

10.1 标记区域

在Domain---Adapt---Refine/Coarsen

点击Refine/Coarsen

点击Cell Registers---New---Region

在Region Register界面设置Shapes为Quad，表示要标记的区域为矩形，在Input Coordinates按下面的界面输入数据，表示标记计算域的下半部分

点击Save/Display会显示标记区域

10.2 patch操作

在初始化界面点击Patch，在Patch界面Phase选择water，物理量选择Volume Fraction，Value设置为1，Zone to Patch选择region_0。点击patch。

注：Zone to Patch不能选择surface_body，否则会把整个计算域都patch。

10.3 查看云图

在云图选择查看water的体积分数，点击Save/Display

可看到patch后的体积分数云图

11. 动画设置

双击Solution Animations...

在Animation Definition选择每隔10个时间步保存一次。自行选择存储位置，在Animation Object选择10.3查看云图创建的contour-1，表示water的体积分数云图。

点击preview后，可看到动画云图，后续动画会在此基础上生成

12. 计算设置

时间步设置为3000，时间步长设置为0.0001，最大迭代步数设置为30。

13. 后处理

毛细现象过程

链接：https://pan.baidu.com/s/1P7Mejr8ZFrdSF68CsmRr7g?pwd=jrx1

提取码：jrx1

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