1、三維圓管紊流流動(dòng)狀況的數(shù)值模擬分析在工程和生活中，圓管內(nèi)的流動(dòng)是最常見也是最簡(jiǎn)單的一種流動(dòng)，圓管流動(dòng)有層流和紊流兩種流動(dòng)狀況。層流，即液體質(zhì)點(diǎn)作有序的線狀運(yùn)動(dòng)，彼此互不混摻的流動(dòng)；紊流，即液體質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)的軌跡極為紊亂，質(zhì)點(diǎn)相互摻混、碰撞的流動(dòng)。雷諾數(shù)是判別流體流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則數(shù)。本研究用CFD軟件來模擬研究三維圓管的紊流流動(dòng)狀況，主要對(duì)流速分布和壓強(qiáng)分布作出分析。1物理模型三維圓管長(zhǎng)l二2000mm，直徑d二100mm。流體介質(zhì)：水，其運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)V=lxl0rm2/s。Inlet：流速入口，u二0.005m/s，u二0.1m/sl2Outlet:壓強(qiáng)出口Wai1：光滑壁面，無滑移2在ICEMCF

2、D中建立模型2.1首先建立三維圓管的幾何模型Geometry做Blocking因?yàn)榻孛鏋閳A形，故需做“O”型網(wǎng)格。2.3劃分網(wǎng)格mesh注意檢查網(wǎng)格質(zhì)量。在未加密的情況下，網(wǎng)格質(zhì)量不是很好，如下圖因管流存在邊界層，故需對(duì)邊界進(jìn)行加密，網(wǎng)格質(zhì)量有所提升，如下圖|!3DEU2Bf5lC6?i|L85-05:55760(19.661L9-D.E:331DD5i031|LSB-b1:115511riuTSIX向.-:rnT:iT|i-h2.4生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，輸出fluent.msh等相關(guān)文件3數(shù)值模擬原理紊流流動(dòng)ud當(dāng)以水流以流速。2-0.1m/s，從麗方向流入圓管，可計(jì)算出雷諾數(shù)Re=10000故

3、圓管內(nèi)流動(dòng)為紊流。假設(shè)水的粘性為常數(shù)（運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)v=lx10-6m2/s）、不可壓流體，圓管光滑，則流動(dòng)的控制方程如下：質(zhì)量守恒方程空+血*他+如=0QtQxQy(0-1)動(dòng)量守恒方程：Q(pu)Q(puu)Q(puv)Q(puw)QQuQQuQQu+=(u)+(u)+(u)QtQxQyQzQxQxQyQyQzQzQ(puS)Q(puV)Q(puW)Qp+_一一-dx(0-2)dxQzdx他+沁+=(卩色)+(卩竺)+(卩竺)QtQxQyQzQxQxQyQyQzQzQxQyQ(puV)Q(pv2)Q(pfw)Qp+-一-(0-3)QxQzQ(pw)Q(pwu)Q(pwv)Q(pww)QQwQ

4、QwQQw+=(u)+(u)+(u)QtQxQyQzQxQxQyQyQzQzQ(puw)Q(pvw)Q(pw2)Qp+_-Qx(0-4)QxQzQz湍動(dòng)能方程：Q(pk)Q(pku)Q(pkv)Q(pkw)Q卩、QkQ卩、Qk、=+=(u+亠)+(U+亠)QzQxcQxQycQykkQtQxQyQuQk+(卩+l)+G_p8QzcQzkk湍能耗散率方程：Q(p8)Q(p8u)Q(p8v)Q(p8w)QuQ8QuQ8+=(卩+)+(卩+“)QtQxQyQzQxQxQzcQxQycQykkQyQuQeC882+_（卩+卑）+-iG-CpQzcQzkk2廣kk式中，p為密度，u、V、w是流速矢量在X

5、、y和z方向的分量，p為流體微元體上的壓強(qiáng)。方程求解：采用雙精度求解器，定常流動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)k-8模型，SIMPLEC算法。4在FLUENT中求解計(jì)算紊流流動(dòng)4.1FLUENT設(shè)置除以下設(shè)置為紊流所必須設(shè)置的外，其余選項(xiàng)和層流相同，不再詳述。(0-5)(0-6)Viscous設(shè)置ud雷諾數(shù)Re=10000,故圓管內(nèi)流動(dòng)為紊流,Viscous設(shè)置為RealizableK-epsilon模型，其余默認(rèn)。vBoundary設(shè)置Inlet設(shè)置為速度入口，為u20.1m/s，Turbulence設(shè)置為IntensityandHydraulicDiameter方法，即Outlet設(shè)置為自由出口Outflow，如

6、設(shè)置成壓力出口，則之后計(jì)算會(huì)存在問題（已驗(yàn)證）。Solution設(shè)置采用雙精度求解器，定常流動(dòng)，Realizablek-模型，SIMPLEC算法。開始迭代設(shè)置迭代次數(shù)為300，實(shí)際比這個(gè)少，迭代收斂時(shí)會(huì)自動(dòng)停止。5紊流計(jì)算結(jié)果及分析計(jì)算293步后，已收斂，自動(dòng)停止運(yùn)算。殘差監(jiān)視窗口為le+tH)15*2501e*O2-1Z4Iterationsle+QB1-Ifl-HH-epsilnnResdualsconL-u1/K-veiocity/-velocityz-elocity5.1顯示流速等值線圖5.1.1入口和出口截面的流速分布圖分布在Surface里選擇inlet及outlet（1）Velo

7、cityofinletI3?e-fll1336-011236-011.1&-011.1136-011U3e-019j99e-O2SSOe-D2322e-027536-026J85e-O26.16e-G25.43S-D2i.79e-O21.116-02亂灶礎(chǔ)2.744-022135&-021J7EO26J85e-0OJXfe-HE可見，入口處流速分布不明顯，基乎都等于入口流速U2二.lm/s，只是外層靠近壁面處流速幾乎為零。2)Velocityofoutlet13?e-Ci1USe-011235-011.16e-O11.1DB-011U3e-i19j39e-28306-02S23S-O2753&

8、-026556-026.166-025.48e-G21.79&-C21.116-022.7fe-O226e-D21J7t-O26S5e-0006400可見，出口截面流速分布較為明顯，和層流一樣，顯同心圓分布，內(nèi)層流速偏大，外層靠近壁面處流速幾乎為零，分層更為嚴(yán)重，邊界層很薄。Y軸和Z軸方向流速截面圓管內(nèi)各個(gè)截面的流速分布均不相同，可以認(rèn)為紊流還沒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在此不再分析各個(gè)截面的流速分布，僅對(duì)整個(gè)圓管的流速作出分析。截面沿圓管長(zhǎng)度X方向截取，可看到對(duì)稱的效果。（1）Velocityofy-0整根圓管：I376-DII.Me-QlI23e-DI116-CHIde-DI9旳M26M)e-0262

9、2e-027.53026.85e-02616e-025.JBS-024.7-02M1Je-0242e-022.74e-02O5e-O21.S7t-02635e-D3O.Me+DG（2）Velocityofz-0整根圓管：I3?e-cn133643112364311.1QS4311U3e-019j99e4I2SSOe-02S22e412?536-4226J85e-26.166-4225.48e-G2i.796-4321.1164123.4122.74222j3ft-fl21JM26J85e-O3OJUe-HE以上兩個(gè)截面流速分布圖的效果是一樣的，可以看出圓管水流紊流入口段及之后的流速發(fā)展趨勢(shì)，而

10、且顯示流速變化的規(guī)律更為明顯。（3）入口段I37e-0lI.Ma-01I?3e-OII16e-0i104-01I.OSbhDI9&9e-02fi.Me-02.22t-02753e-02珈D26.1602弓如024砂脛A1Je-0234卸0274e-021.S7*-026眄4旳O.Wa+DQ與層流入口段的流速分布相比，可以明顯的看出紊流入口段的流速分布不太明顯，且基本沒有分層，符合紊流流動(dòng)的基本規(guī)律。流速分布也不像層流流速那樣顯明顯拋物線分布，而是更加平滑，越超后發(fā)展發(fā)展越平滑，到底是什么曲面，之后再加分析。紊流過流斷面的流速對(duì)數(shù)分布比層流的拋物面分布均勻的多，符合=Iny+C的規(guī)律，即u*K4

11、）出口段I37e-DIl幕Mi116e-tHIIde-DI1.03t-Gl9We-02SMe-022227.63*-026.85e-0216e-025.JBe-024.7t-02M1Je-02342e-022.74e-022Me-021.57*-)2635e-D3O.Mi+DQ出口段的流層分布很明顯，切趨于均勻，但仔細(xì)觀察圓管軸心的速度，其實(shí)速度分布并未達(dá)到均勻，可見紊流并未達(dá)到充分發(fā)展的狀況。5.1.3軸向流速的變化執(zhí)行PlotXYPlot,選擇YAxisFunction里的Velocity和VelocityMagnitude選擇Surfaces里圓管的對(duì)稱軸line-x，可得到軸向流速分布

12、散點(diǎn)圖。00.6O.BVelocityMagnitude(m/s)140#-01I.SOs-Ol1.20S-011育i1Pi105e1i00e-0lPosition(m)linm-x由上圖可以看出，在圓管的軸上，進(jìn)口段流速分布變化較大，從進(jìn)口流逆二0lm/s急劇上升到最2大流速u二0.1369m/s。之后又下降。但實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，紊流應(yīng)該在進(jìn)口段后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，軸向流速max應(yīng)該趨于恒定，可見此模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置長(zhǎng)度不夠，使流動(dòng)并未達(dá)到充分紊流。紊流入口段長(zhǎng)度有經(jīng)驗(yàn)公式可以算的，即Lq（25:40）d（0-7）由此可見，紊流的邊界層厚度的增長(zhǎng)比層流邊界層要快，因此紊流的進(jìn)口段要短些，而且長(zhǎng)度主要受來流

13、擾動(dòng)的程度有關(guān)，與雷諾數(shù)無關(guān)，擾動(dòng)越大，進(jìn)口段越短?？伤愕萌肟诙伍L(zhǎng)度約為3m,由上圖顯示效果可以看出，軸向流速一直在變化，并未達(dá)到最大且穩(wěn)定的速度，故紊流未發(fā)展充分。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)加大圓管長(zhǎng)度。5.1.4出口截面的流速分布散點(diǎn)圖可見截面流速分布已很平滑，與層流出口截面的流速分布截然不同。若紊流充分發(fā)展，則截面流速散點(diǎn)圖最高處幾乎為一條直線，說明圓管內(nèi)大多數(shù)流體流速趨于穩(wěn)定，幾乎沒有分層。5.2顯示壓強(qiáng)分布圖在Contours里選取Pressure和Staticpressure,在Surfaces里選擇int-solid,即管道內(nèi)部流體整體。Pressureofint-solid-top：3.78&

14、-CI15旌程60S切H5.79e-O1-ssee-fli-122e+co-1JS5e-HB-219640)2jS1S03即點(diǎn)-ie&40Q-LiOe-KO-i.72e+DQ-5Jafe-HB-53&4O)-5J6-KO-6De-K0和層流圓管內(nèi)壓強(qiáng)分布一樣,進(jìn)口壓強(qiáng)大,出口壓強(qiáng)小,即存在壓降。另外在圓管任何截面上,其壓強(qiáng)分布是均勻的,沒有分層現(xiàn)象,這點(diǎn)和層流截面壓強(qiáng)分布很不同。5.3軸向壓強(qiáng)的變化執(zhí)行PlotXYPlot,選擇YAxisFunction里的Pressure和PressureMagnitude,選擇Surfaces里圓管的對(duì)稱軸line-x,可得到軸向壓強(qiáng)分布散點(diǎn)圖。低，是正比

15、關(guān)系。inlet0.78277661int_solid-155.7078outlet-0.78277661wall0Net3.3306691e-165.4.2入口出口流速積分IntegralVelocityMagnitude(m/s)(m2)inlet0.00076724892outlet0.00077659753Net0.00154384645.4.3入口出口壓強(qiáng)積分IntegralStaticPressure(pascal)(m2)inlet0.0011779853outlet-0.0469953725.4.1系統(tǒng)總流量Net-0.045817386MassFlowRate(kg/s)6總

16、結(jié)本文通過數(shù)值模擬對(duì)圓管內(nèi)水流動(dòng)的紊流流態(tài)進(jìn)行了分析。數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)論證了理論上關(guān)于圓管紊流的基本概念，基本符合。圓管內(nèi)水的流動(dòng)分為進(jìn)口段流動(dòng)和沿程流動(dòng)。在進(jìn)口段內(nèi)，流動(dòng)存在邊界層，流速與壓強(qiáng)持續(xù)變化，直到流動(dòng)穩(wěn)定，達(dá)到沿程段內(nèi)。紊流的過流斷面上，流速的分布較為均勻、平緩，沒有明顯的分層，基本一致，說明混合強(qiáng)烈。外層靠近壁面處流速幾乎都為零，管內(nèi)的壓強(qiáng)隨著長(zhǎng)度的增加而減小，存在壓降，進(jìn)而存在管道沿程損失，這是有流動(dòng)阻力的原因。但實(shí)驗(yàn)中存在一些問題需要改進(jìn)，比如說管長(zhǎng)、管徑的選擇，實(shí)驗(yàn)也忽略了管壁的粗糙度，均設(shè)為零。還有紊流模型的選擇，實(shí)驗(yàn)選擇的是RealizableK-epsilon模型，還有其

17、他幾種模型應(yīng)該試用對(duì)比。另外，在入口速度的選擇上，應(yīng)該多做幾組模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，觀察不同流速的入口速度會(huì)對(duì)紊流有什么影響。以上問題，今后將在學(xué)習(xí)中繼續(xù)探討，以求完善。Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場(chǎng)占有率為60%，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。CFD商業(yè)軟件FLUENT,是通用CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達(dá)到最佳的收斂速度

18、和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)換與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。目前與FLUENT配合最好的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格軟件是ICEM，而不是早已過時(shí)的GAMBIT。FLUENT軟件包含三種算法：非耦合隱式算法、耦合顯式算法、耦合隱式算法，是商用軟件中最多的；FLUENT軟件包含豐富而先進(jìn)的物理模型，使得用戶能夠精確地模擬無粘流、層流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-模型組、k-模型組、雷諾應(yīng)力模型(RSM)組、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分離渦模擬(DES)和V2F模型等。另外用戶還可以定制或添加自己的湍流模型；適用于牛頓流體、非牛頓流體；含有強(qiáng)制/自然/混合對(duì)流的熱傳導(dǎo)，固體/流體的熱傳導(dǎo)、輻射；化學(xué)組份的混合/反應(yīng)；自由表面流模型，歐拉多相流模型，混合多相流模型，顆粒相模型，空穴兩相流模型，濕蒸汽模型；融化溶化/凝固；蒸發(fā)/冷凝相變模型；離散相的拉格朗日跟蹤計(jì)算；非均質(zhì)滲透性、慣性阻抗、固體