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三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析在工程和生活中,圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动,圆管流动有层流和紊流两种流动状况。层流,即液体质点作有序的线状运动,彼此互不混掺的流动;紊流,即液体质点流动的轨迹极为紊乱,质点相互掺混、碰撞的流动。雷诺数是判别流体流动状态的准则数。本研究用CFD软件来模拟研究三维圆管的紊流流动状况,主要对流速分布和压强分布作出分析。1 物理模型三维圆管长,直径。流体介质:水,其运动粘度系数。Inlet:流速入口,Outlet:压强出口Wall:光滑壁面,无滑移2 在ICEM CFD中建立模型2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry2.2 做Blocking因为截面为圆形,故需做“O”型网格。2.3 划分网格mesh注意检查网格质量。在未加密的情况下,网格质量不是很好,如下图因管流存在边界层,故需对边界进行加密,网格质量有所提升,如下图2.4 生成非结构化网格,输出fluent.msh等相关文件3 数值模拟原理 紊流流动当以水流以流速,从Inlet方向流入圆管,可计算出雷诺数,故圆管内流动为紊流。假设水的粘性为常数(运动粘度系数)、不可压流体,圆管光滑,则流动的控制方程如下:质量守恒方程:动量守恒方程:湍动能方程:湍能耗散率方程:式中,为密度,、是流速矢量在x、y和z方向的分量,p为流体微元体上的压强。方程求解:采用双精度求解器,定常流动,标准模型,SIMPLEC算法。4 在FLUENT中求解计算紊流流动4.1 FLUENT设置 除以下设置为紊流所必须设置的外,其余选项和层流相同,不再详述。Viscous设置雷诺数,故圆管内流动为紊流,Viscous设置为Realizable K-epsilon模型,其余默认。Boundary设置Inlet设置为速度入口,为,Turbulence设置为Intensity and Hydraulic Diameter方法,即 Outlet设置为自由出口Outflow,如设置成压力出口,则之后计算会存在问题(已验证)。Solution设置采用双精度求解器,定常流动,Realizable 模型,SIMPLEC算法。4.2 开始迭代 设置迭代次数为300,实际比这个少,迭代收敛时会自动停止。5 紊流计算结果及分析计算293步后,已收敛,自动停止运算。残差监视窗口为5.1 显示流速等值线图5.1.1 入口和出口截面的流速分布图 分布在Surface里选择inlet及outlet(1)Velocity of inlet可见,入口处流速分布不明显,基乎都等于入口流速,只是外层靠近壁面处流速几乎为零。(2)Velocity of outlet可见,出口截面流速分布较为明显,和层流一样,显同心圆分布,内层流速偏大,外层靠近壁面处流速几乎为零,分层更为严重,边界层很薄。5.1.2 Y轴和Z轴方向流速截面 圆管内各个截面的流速分布均不相同,可以认为紊流还没达到稳定状态,在此不再分析各个截面的流速分布,仅对整个圆管的流速作出分析。截面沿圆管长度X方向截取,可看到对称的效果。 (1)Velocity of y-0整根圆管:(2)Velocity of z-0整根圆管:以上两个截面流速分布图的效果是一样的,可以看出圆管水流紊流入口段及之后的流速发展趋势,而且显示流速变化的规律更为明显。(3)入口段与层流入口段的流速分布相比,可以明显的看出紊流入口段的流速分布不太明显,且基本没有分层,符合紊流流动的基本规律。流速分布也不像层流流速那样显明显抛物线分布,而是更加平滑,越超后发展发展越平滑,到底是什么曲面,之后再加分析。紊流过流断面的流速对数分布比层流的抛物面分布均匀的多,符合的规律,即 (4)出口段 出口段的流层分布很明显,切趋于均匀,但仔细观察圆管轴心的速度,其实速度分布并未达到均匀,可见紊流并未达到充分发展的状况。5.1.3轴向流速的变化执行PlotXY Plot,选择Y Axis Function里的Velocity和Velocity Magnitude,选择Surfaces里圆管的对称轴line-x,可得到轴向流速分布散点图。由上图可以看出,在圆管的轴上,进口段流速分布变化较大,从进口流速急剧上升到最大流速。之后又下降。但实际经验表明,紊流应该在进口段后达到稳定状态,轴向流速应该趋于恒定,可见此模拟实验设置长度不够,使流动并未达到充分紊流。紊流入口段长度有经验公式可以算的,即由此可见,紊流的边界层厚度的增长比层流边界层要快,因此紊流的进口段要短些,而且长度主要受来流扰动的程度有关,与雷诺数无关,扰动越大,进口段越短。可算得入口段长度约为3m,由上图显示效果可以看出,轴向流速一直在变化,并未达到最大且稳定的速度,故紊流未发展充分。改进实验应加大圆管长度。5.1.4 出口截面的流速分布散点图因紊流并未充分,故选取出口截面来进行分析(注意Plot direction的选取) 可见截面流速分布已很平滑,与层流出口截面的流速分布截然不同。若紊流充分发展,则截面流速散点图最高处几乎为一条直线,说明圆管内大多数流体流速趋于稳定,几乎没有分层。取沿Y方向中心轴线的流速分布,即5.2 显示压强分布图 在Contours里选取Pressure和Static pressure,在Surfaces里选择int-solid,即管道内部流体整体。Pressure of int-solid-top: 和层流圆管内压强分布一样,进口压强大,出口压强小,即存在压降。另外在圆管任何截面上,其压强分布是均匀的,没有分层现象,这点和层流截面压强分布很不同。5.3轴向压强的变化执行PlotXY Plot,选择Y Axis Function里的Pressure和Pressure Magnitude,选择Surfaces里圆管的对称轴line-x,可得到轴向压强分布散点图。圆管紊流中的压降,虽然不存在理论上的经验公式,但从上图可以看出,紊流的压降和层流类似,除了入口段压强分布因流速急剧上升而下降稍快外,其余部分均可看作是一条直线,即随的增加而降低,是正比关系。5.4.1 系统总流量 Mass Flow Rate (kg/s)- - inlet 0.78277661 int_solid -155.7078 outlet -0.78277661 wall 0 - - Net 3.3306691e-165.4.2 入口出口流速积分 Integral Velocity Magnitude (m/s)(m2)- - inlet 0.00076724892 outlet 0.00077659753 - - Net 0.00154384645.4.3 入口出口压强积分 Integral Static Pressure (pascal)(m2)- - inlet 0.0011779853 outlet -0.046995372 - - Net -0.0458173866 总结本文通过数值模拟对圆管内水流动的紊流流态进行了分析。数值模拟实验论证了理论上关于圆管紊流的基本概念,基本符合。圆管内水的流动分为进口段流动和沿程流动。在进口段内,流动存在边界层,流速与压强持续变化,直到流动稳定,达到沿程段内。紊流的过流断面上,流速的分布较为均匀、平缓,没有明显的分层,基本一致,说明混合强烈。外层靠近壁面处流速几乎都为零,管内的压强随着长度的增加而减小,存在压降,进而存在管道沿程损失,这是有流动阻力的原因。但实验中存在一些问题需要改进,比如说管长、管径的选择,实验也忽略了管壁的粗糙度,均设为零。还有紊流模型的选择,实验选择的是Realizable K-epsilon模型,还有其他几种模型应该试用对比。另外,在入口速度的选择上,应该多做几组模拟实验进行对比,观察不同流速的入口速度会对紊流有什么影响。以上问题,今后将在学习中继续探讨,以求完善。Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包,在美国的市场占有率为60%,凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能,在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。CFD商业软件FLUENT,是通用CFD软件包,用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术,因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型,使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM,而不是早已过时的GAMBIT。FLUENT软件包含三种算法:非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法,是商用软件中最多的;FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型,使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-模型组、k-模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型;适用于牛顿流体、非牛顿流体;含有强制/自然/混合对流的热传导,固体/流体的热传导、辐射;化学组份的混合/反应;自由表面流模型,欧拉多相流模型,混合多相流模型,颗粒相模型,空穴两相流模型,湿蒸汽模型;融化溶化/凝固;蒸发/冷凝相变模型;离散相的拉格朗日跟踪计算;非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导,多孔介质模型(考虑多孔介质压力突变);风扇,散热器,以热交换器为对象的集中参数模型;惯性或非惯性坐标系,复数基准坐标系及滑移网格;动静翼相互作用模型化后的接续界面;基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型;质量、动量、热、化学组份的体积源项;丰富的物性参数的数据库;磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题;连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题;高效率的并行计算功能,提供多种自动/手动分区算法;内置MPI并行机制大幅度提高并行效率。另外,FLUENT特有动态负载平衡功能,确保全局高效并行计算;FLUENT软件提供了友好的用户界面,并为用户提供了二次开发接口(UDF);FLUENT软件采用C/C+语言编写,从而大大提高了对计算机内存的利用率。在CFD软件中,Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent的软件

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