fluent算例 三維圓管紊流流動(dòng)狀況的數(shù)值模擬分析

《fluent算例 三維圓管紊流流動(dòng)狀況的數(shù)值模擬分析》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。

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(jiàn)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(lái)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)，直徑。流體介質(zhì)：水，其運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)。Inlet：流速入口，，Outlet：壓強(qiáng)出口Wall：光滑壁面，無(wú)滑移2在ICEMCFD中建立模型2.1首先建立三維圓管的幾何模型Geometry2.

2、2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2.4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)當(dāng)以水流以流速，從Inlet方向流入圓管，可計(jì)算出雷諾數(shù)，故圓管內(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)）、不可壓流體，圓管光滑，則流動(dòng)的控制方程如下：①質(zhì)量守恒方程：(0-1)②動(dòng)量守恒方程：(0-2)(0-3)(0-4)③湍動(dòng)能方程：(0-5)④湍能耗散率方程：(0-6)式中，為密

3、度，、、是流速矢量在x、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)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。①Viscous設(shè)置雷諾數(shù)，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)。②Boundary設(shè)置Inlet設(shè)置為速度入口，為，Turbulence設(shè)置為IntensityandHydraulicDiameter方法，即Outlet設(shè)置為自由出口Outflow，如設(shè)置成壓力

4、出口，則之后計(jì)算會(huì)存在問(wèn)題（已驗(yàn)證）。③Solution設(shè)置采用雙精度求解器，定常流動(dòng)，Realizable模型，SIMPLEC算法。4.2開(kāi)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5.1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）Velocityofinlet可見(jiàn)，入口處流速分布不明顯，基乎都等于入口流速，只是外層靠近壁面處流速幾乎為零。（2）Velocityofoutlet可見(jiàn)，出口截面流速分布較為明顯，

5、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。5.1.2Y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(méi)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：（2）Velocityofz-0整根圓管：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)，而且顯示流速變化的規(guī)律更為明顯。（3）入口段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

6、太明顯，且基本沒(méi)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(guò)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，符合的規(guī)律，即（4）出口段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(jiàn)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Plot→XYPlot，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散點(diǎn)圖。

7、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)口流速急劇上升到最大流速。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)，軸向流速應(yīng)該趨于恒定，可見(jiàn)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(0-7)由此可見(jiàn)，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(lái)流擾動(dòng)的程度有關(guān)，與雷諾數(shù)無(wú)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