三维圆管流动状况的数值模拟分析详解

1、三维圆管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层流和紊流流动状况，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l = 2000mm ,直径d = 100mm。流体介质：水，其运动粘度系数v =1 xl0_6m2/s oInlet：流速入口， Ui=0.005m/s,。2 =0.1m/sOutlet:压强出口Wall:光滑壁

2、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。-"*12.3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3.1层流流动 - id当水流以流速 5=0.005m/s,从Inlet方向流入圆管，可计算出雷诺数Re=500 ,故圆管内v=lMl0"m2/s）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程流动为层流。

3、假设水的粘性为常数（运动粘度系数如下：质量守恒方程：(1-1)二,：（»） . （、） . ：（5） 0注 ：:x；:y:z动量守恒方程：f( Pu) ：:( ：uu)X Puv) 可 Puw).:t ；x ；:y Fz=二（且）二（包）二（"）-虫二 x : x 二 y二 y二 z:zt x(1-2)f( ：v) ：:( ：vu)f( ：vv) (”vw): A L Q、 ： ,：v、 ：p十十十=(1)十(1)十(1 ).一«.t二 xcy；zex二 x 二 y 二 y 二 z 二 z cy一:（Pw）F（Pwu）：:（Pwv）F（Pww）: .:w .:w

4、; .:wjpJ-J.、A.4.Il.t ；x二 y: z 二 x ；x二 y二 y二 z二 z 二 z式中，P为密度，u、v、w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：对于细长管流，FLUENT建议选用双精度求解器，流场计算采用SIMPLE算法，属于压强修正法的一种。3.2紊流流动 . . ._ d 当以水流以流速u2 =0.1m/s,从Inlet方向流入圆管，可计算出雷诺数 Re =10000 ,故圆管内 流动为紊流。假设水的粘性为常数（运动粘度系数V =1 X10"m2/s）、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：(1-5).”：

5、u) . 可:v) , ：(；w) =0.:tFx：:y Fz动量守恒方程:：(1u)：:( ：uu) ：( ；uv) “ "w)u.=一()x二 x:t:xN Fz-二(u ) ( uv) ( uw) p-z 二 x(1-6)-x：（:v） , ：（ ：vu） , ：（ ：vv）,<'w =:（当.二（J当.二（J当t ：x二 y二 z二 x 二 x二 y二 y二 z二 z：(；uv) f(：v2) f(：vw)寸(1-7)(Pw) ； ( Pwu)f ( Pwv) j (P ww)Ft汉 yzZ.x ；x y yzz.z6(Puw')百(Pvw)c(Pw*2

6、)6P- -jxfyfzfz(1-8)湍动能方程:A£k2 3当T()当:t:x.y .z :x 二k .x y 二k .y(1-9)-(J )-) Gk - 'z二 k ；z湍能耗散率方程：*1）.1E1V） . ：（、；w）=:-卜.3）二）,二（）二）.:t；xFy；z ；x 二 k jxjy 二 k ；y:二,t三；C1二二2（） -Gk -C2 ：；zk ；:zk' k(1-10)式中，P为密度，u、w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k -名模型，SIMPLEC算法。4在FLUENT中求解计

7、算层流流动4.1导入并检查网格注意调整Scale大小。因在ICEM中作网格时，已采用的是以“米”为单位的长度，故不需更换单位。网格显示流动沿 X方向，共存在 283575 hexahedral cells,范围Domain Extents:x-coordinate: min (m) = 0.000000e+000, max (m) = 2.000000e+000y-coordinate: min (m) = -4.995393e-002, max (m) = 4.995393e-002z-coordinate: min (m) = -4.995393e-002, max (m) = 4.995

8、393e-002淞和:：；："：':二三正三部:” ：: ： ：!：'：!：=!浦:不：:三；Y三尸而正？ " , !：d!；Aug 20. 2010FLUENT BJ8MliHO4.2设置求解器本模型基于压强计算，可采取绝对流速计算，Soker求解器可采取默认设置。 _ud 雷箱数Re =500 ,故圆管内流动为层流，Viscous设置为Laminar。心 Viscous ModelModelInviscid# LaminarSpalart-Allniara 1 eqn k-epsilon 2 eqn) k-omega 2 eqn)Reynolds Str

9、ess (7 eqn r Detached Eddy SimulationLarge Eddy Simulation (LES)OK Xancei!| Help4.3定义材料因本研究采用水流动，故需使 Material type定义为Fluent,设置成水。4.4设置边界条件4.4.1将Solid定义为Fluid ,并设置成水理Fluid区|Zone Name solidMaterial Name waterliquid EdiCj|Porous ZoneSource TermsI- Fixed ValuesMotion Porous Zone | Reactioin Source Terms

10、 Fixed ValuesThis page is not applicable under current settings.OK Cancel Help4.4.2 定义进口 InletInlet定义为流速入口Velocity-inlet ,并设置入口流速为0.005m/s。0 Velocity InletZome NameinletMomentum Thermal Radiation Species DPM Multiphase UDSVelocity Specificalion Method Magnitude, Normal to BoundaryReference Frame Abs

11、oluteVelocity Magnitude (m/s) (TflOSconstantK Cancel Help4.4.3 定义出口 Outlet出口为压强出口Pressure Outlet,默认设置。4.4.4定义壁面Wall。设置为默认。4.5设置操作条件因为圆管截面较小，故可不考虑重力选项。压强选项默认为一个大气压。4.6求解方法的设置与控制4.6.1 求解参数的设置、在 Solution controls 中，将 Momentum 设置为 Second order upwind,其他保持默认。4.6.2设置监视残差 注意点选Plot。4.6.3 流场初始化Compute from 设

12、置为 Inlet。Solution. InitializationinletCompute FromReference Frame* Relative to Cell ZoneAbsoluteInitial Values Gauge Pressure (pascal) oX Velocity (m/s)二七曲999992Y Velocity m/s 1-8.61983175Z Velocity m/sm48.35)15一 一 Init Reset Apply Close Help4.7 监视切面4.7.1 首先切取所需面以网格Grid为单位，在X方向，在0到2m之间，每隔0.2m切一平面，以来

13、监视流速和压强的变化;在Y方向，取Y=0的位置切面，相当于横剖圆柱截面；在Z方向，取Z=0的位置切面，相当于沿 X轴方向竖剖圆柱截面。注意标清切面名称，以供查找。4.7.2设置监视窗口因不需监视太多所需切面，故建立4个监视窗口即可，需将Plot和Write选取，设为时间步长,再 Define内容。Surface Monitors 4NamePlot Print writenonitor-1nonitor-2monitor-3monitor-HIterationWhen1Define.Define.OKCancelDeline,JDefine.例监视1,监视Inlet切面的流速，可设置为:4.8

14、 开始迭代设置迭代次数为200,实际比这个更少，迭代收敛时会自动停止。乌 It erateIterationNumber of Iterations pg.Reporting Interval 1UDF Profile Update Interval 1Iterate ApplyCloseHelp5层流计算结果及分析计算120步后，已收敛，自动停止运算。 残差监视窗口为Residuals continuity x-velocit y-velocity z-veloGitvScaled ResidualsAug 20, 2010FLUENT 6,3 (3d, dp, pbns. lam)5.1

15、显示流速等值线图打开 Display fContours,选择 Velocity 和 Velocity magnitude 。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 inletS .40e-O37.63037.216-036.7036.36035.-94«-035.51e-034.fi7e-034.24e-033.82e-033.39e-032.97e-032.54e-032.12e-031.70fl-031 27e-03e.+e«-O44.244-0O.We+ODAig ER。IF LU EN

16、T 63 (3d,中.pbis. lam)Contours of Velocity Magnitude IrrVsAug 20, 2010FLUENT 6,3 (3d, dp, pbns. lam)可见，入口处流速分布不明显，基乎都等于入口流速为零，符合圆管层流流动规律，也符合边界层理论。(2) Velocity of outletUi=0.005m/s,只是外层靠近壁面处流速几乎包欣心BDa-03721S-O3 打女电36承W5与地处551H3，国 iSTU 心&4 3E3e-O3闻。心25峥心2.d心 1706-(13 闭心1214-01Coitom DfVelocMaghltid

17、! ijn.4：i出口截面流速分布较为明显，甚同心圆分布，内层流速偏大，外层靠近壁面处流速几乎为零，边界层 很薄。分层更为严重，层流显现的更为明显，且趋于稳定状态。5.1.2圆管内不同截面的流速分布图下述截面均为距inlet,从0.2m到1.8m的截面(1) Velocity of inlet-0.2包欣心721S-O3 打女电36承W 5与地处 551eCQ 加Coitom DfVelocMaghltid! ijn.4：i，国 IM13 心&4 3E3e-O3 J8小 闻。心 25峥心 2.d心 1706-(13 闭心Aig ER。IF LU ENT 63 (3d,中.pbll. m

18、)(2) Velocity of inlet-0.4良曲心 eD6f-O3 7A3e-O3 721e-<J3 公安心5m4 5与地处551S4I 5西加 际”033E3S-O3 34的2削电小 25好心32.壮心1HH13 已出Q1214-01HJB4O)(3) Velocity of inlet-0.6Aig如1田1口FLU ENT 6J (3d,中.pbix. lam)包收心 exEe-oa ? 心 7210-03 S安心63-03 S5U-OJ551e4B509*0际 8HO3 心&灯 3E3e-413 3h»<E3 2蓟电25te-(J32.翦03 170

19、6-4131HM13 民施mW孙 HJB4O)Coibira 讨债 B晔 li 可 rticfe '!n.4jAig如l如I巾F LU ENT 63 (3d,中,pt>IS. In)Aig 20r3DlOIF LU ENT 63 (3d,中.pbis. Ian)(6) Velocity of inlet-1(4) Velocity of inlet-0.8B毋心 G瞬心 ?£3e-O3 721e-<J3 打实心 B福W 59帕处 551e-d，时 IM13 ，二收4 3E3e-O3 34国 2蓟电心I 25te4J32.忠心 1706-413 12TI413 出烟

20、4H 心岫孙 DDe-inCoitom DTVelocMaghlticfe包收心 exEe-oa ? 心 7210-03 S安心63-03 S5U-OJ551e4B509*0际 8HO3 心&灯 3E3e-413 3h»<E3 2蓟电25te-(J32.翦03 1706-4131HM13 民施mW孙 HJB4O)Coibira 讨债 B晔 li 可 rticfe '!n.4jAig如l如I巾F LU ENT 63 (3d,中,pt>IS. In)(6) Velocity of inlet-1.2B毋心 G瞬心 ?£3e-O3 721e-<J

21、3 打实心 B福W 59帕处 551e-d，时 IM13 ，二收4 3E3e-O3 34国 2蓟电心I 25te4J32.忠心 1706-413 12TI413 出烟4H 心岫孙 DDe-inCoitom DTVelocMaghlticfeAig 20r3DlOIF LU ENT 63 (3d,中.pbis. Ian)(7) Velocity of inlet-1.4包收心 exEe-oa ? 心 7210-03 S安心63-03 S5U-OJ551e4B509*0际 8HO3 心&灯 3E3e-413 3h»<E3 2蓟电25te-(J32.翦03 1706-4131

22、HM13 民施mW孙 HJB4O)Coibira 讨债 B晔 li 可 rticfe '!n.4jAig如l如I巾F LU ENT 63 (3d,中,pt>IS. In)(8) Velocity of inlet-1.6B毋心 G瞬心 ?£3e-O3 721e-<J3 打实心 B福W 59帕处 551e-d，时 IM13 ，二收4 3E3e-O3 34国 2蓟电心I 25te4J32.忠心 1706-413 12TI413 出烟4H 心岫孙 DDe-inCoitom DTVelocMaghlticfeAig 20r3DlOIF LU ENT 63 (3d,中.pb

23、is. Ian)(9) Velocity of inlet-1.8IBjaeYDT 硒413TH 旭 430&修血636e-D3器125D90-O3，硒小124-033ES-O3329e-flB 士第25+!-D312.06-031J0I-35133f-03B,通小iMli-QlDUDe-HJ)Aig3,2DWfw eNT 俎中,网外轲下上述图像为圆管内部 X轴方向不同截面的流速分布，可看出流速在截面上从入口到出口的变化。水流在圆管内部的流速分层很明显，靠近壁面处流速接近于零， 有一很薄的边界层， 流速在边界层内很快上升，到最大流速；在圆管中央的一大片圆形区域内，流速基本一致，达到最大

24、，且中心流速最大，为Umax。流速在截面的变化规律可以看出，在 0到1.2m之间，每个截面的流速分布都不同，当离 Inlet 1.2m远之后， 流速在截面的分布基本一致，说明层流达到了稳定状态，这符合圆管流动进口段及流中层流分布规律。以 上图像因只能看到沿 X轴截面的流速分布，故下面讨论从 Y轴和Z轴方向看圆管的整体流速分布。5.1.3 Y轴和Z轴方向流速截面截面若均沿圆管长度 X方向截取，可看到对称的效果。(1) Velocity of y-0整根圆管：a.dSe-038.06&-037.63037.211-036.79036.36t-035 94Z3 5.51fr-035.09-0

25、3 4即M34.24033.S2e>C33.39&-032.97e-032.54N32,.12e-031 70031.27038 48M44.24t-04O.OOe+ODContours of Vtlccily Magnitudi (m/s)Aug 20P 2010FLUENT 6.3(3d, dp. pbnsjun)入口段:S.45e-03T.eae-os 7.2le-03 6.703 也双4 5.-94«-03 5.51e-03S.Me-OS 4.67e-03 4.24+03 3.82e-03 33如03 297«-03 2.54e-03 2.1903 1

26、70fl-03 1 27e-03S.48e-04 4.24C-Q4 0.W«+00Contours of Velocity Magnitude (rrVsAug 20, 2010FLUENT 6,3 (3d, dp, pLns. lam)出口段:4,刈-048.+8e-04O.Mfi+DDContours of Velocity Magnitude £rrVs(2) Velocity of z-0整根圆管：Aug 20, 2010FLUENT 6,3 (3d, dp, pbns. lam)18.4003 里口路口 3 7,93e-03 7.21 »-03 6# 舞

27、口 3 也酷占S 5融占口3 5.51e-03 5.0e-03I4.67eQ34.24B-033.e2&-03 3923 2.97&-032.54 土0 3 2.125-03 17ae-Q31 s27e-03 &4 阻 044.24e-D4也口旧的Conflaurs of Velocity Magnitude mfejAug 纯 2010FLUENT 6 3 (3d. g pbnsktam)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。由数值模拟实验设置了入口均匀流速，可以认为在进口处的流速分布是均匀

28、 的，进入管内后，靠近壁面的流动受到阻滞，流速降低，形成边界层，且边界层的厚度逐渐加大，以致尚 未受管壁影响的中心部分的流速加快。进口段的流动是流速分布不断变化的非均匀流动，且边界层的厚度 在进口段逐渐增加，之后的流动是各个截面流速分布均相同的均匀流动，由于为层流流动，故流速分层现 象很明显。但平均流速u为多少？最大流速umax为多少？进口段长度 L*为多少？等等问题需要再进行讨论。5.2轴向流速的变化沿X轴截取轴线执行 Plot XY Plot,选择 Y Axis Function 里的 Velocity 和 Velocity Magnitude ,选择 Sufaces 里圆管的 对称轴li

29、ne-x,可得到轴向流速分布散点图。 linmx5.5DDDDDDDB-O3 一 *J 5.DDDDDDDDB-G3 ，4.50000000e- 03I111 iu 1, il 1111 t1111D D.2D.4 D.B 0.31.B2Position (m)Velocity MsiifudeAug 20, 2010FLUENT 6 3 (Jd, g 即s lam)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 = 0.005m/s急剧上升到最大流速 umax =0.00848m/s。max层流入口段长度有经验公式可以算的，即L 0.058dRe(1-

30、11)可算得入口段长度约为1.18m,由上图显示效果可以看出，流速在离入口 1.1m至ij 1.2m之间，即入口段长度约为1.11.2m,符合理论计算结果。5.3截面流速分布散点图取流动充分发展后，离 Inlet 1.6m远的截面x-coordinate-1.6 ,其流速分布如下图(注意 Plot direction的选取)，可以看处流速沿半径Y方向成抛物线分布，与理论公式抛物面公式相符，即:gJ , 22、u =T-(r0 -r )(1-12)4-LO.ODDaDODDe-D35.0DDDOQDDe-D3VelocityMagnitude 4叩口阊口。口千口3 (m/s)3.0D0M)0D0

31、03S.OODlMOODeS7.00 0000占 036.DODOiOOOOe-D32.DODOiODOOe-D3LDDD0DDDD+D30 UI0.030.040.05e e « »fifiv Q <)!1*)D 05 闻.斛 -D.D3»( Ci «*«*«* eset*»0 .DQrQDODDOe+OD-».力用於 喷喷Position (m)e他西”曲«Rig 2D.2D1QF LU ENT 63 回,中,巾* tan)取沿Y方向中心轴线的流速分布，即民皿口口期心总加前的的e-0*Veloc

32、ity Magnitude (m/s)7.0000000003B.DDDDOOOOe-O«.DO<DDDODOt4)34.DDDDOOOOe-03.DDOOODDOe032 mm000731 .DDDOaOOO«3D.DDOOQDQDe+OD-0.D10.06Position (m)次 m% *ag 血 de5.4显不压强分布图在 Contours 里选取 Pressure和 Static pressureAig班的。IF LU ENT 63 (3d,中.pbis. n)Aug 20, 2010FLUENT 6,3 (3d, dp, pbns. lam)在Suface

33、s里选择int-solid ,即管道内部流体整体，以两种方式显示: Pressure of int-solid-top :5.44C-025.16e-024.MC-02 4&e支4.We-024.We-022.81e-023.53-023.26«-022.t-022.72e-022.45e-022.17e-021.90e-021.&3针021.3«e-021.O9e-02 a.15«-035.44e-03 27?«-03 O.Me+ODContours of Static Pressure (pascal)2) Pressure of i

34、nt-solid-isometricI5.44e-02 5116M)2 4,e-02 4.626-02 4,加 02 4,We-02 3 81S-Q23.53«-02 3.26e-Q2 2.-Me-02 2.72e-02 2.45e-02 2.17e-02 1 .-Mc-02 1.63e-02II .36021.O9e-02 8.15«-03 5.44e-03 2.72e-a3 O.M«+ODContours of Static Pressure (pascal)Aug 20, 2010FLUENT 6,3 (3d, dp, pLns. lam)由以上两图可以看出

35、圆管内部压强分布从管口处向延伸方向逐渐减小，可知流速相应增大，符合流速大，压强小的流动定律，也符合圆管流动压降的原理。另外从入口处的压强分布可以看出，在圆管任何截 面上，其压强分布也不是均匀的，也有分层现象。5.5 轴向压强的变化执行 PlotXY Plot,选择 Y Axis Function 里的 Pressure和 Pressure Magnitude,选择 Sufaces里圆管的 对称轴line-x ,可得到轴向压强分布散点图。limPosition (m)Static PressureAug 20, 2010FLUENT 6,3 (3d, dp, pLns. lam)圆管层流中的压降

36、，理论上存在下述公式(1-13)即压降与流体的粘度、管道长度、流体的流量成正比，在本模拟实验中，由于流体的粘度、流体的流量不变，可认为压降与长度成正比，即Ap与L成正比。由上图可以看出，除了入口段压强分布因流速急剧上升而下降过快外，其余部分均可看做是一条直线,Ap随L的增加而降低，是正比关系。inlet0.039138829int solid-7.8335983outlet-0.039138853wallNet-2.4280432e-085.6.2入口出口流速积分IntegralVelocity Magnitude(m/s)(m2)inlet3.8362443e-05outlet3.91542

37、64e-05Net7.7516706e-055.6 总结报告5.6.1 系统总流量(kg/s)Mass Flow Rate5.6.3 入口出口压强积分IntegralStatic Pressureinlet outlet(pascal)(m2)0.000388095040Net0.000388095046在FLUENT中求解计算紊流流动6.1 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 ud 雷箱数Re =10000 ,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In

38、let 设置为速度入口，为 U2=0.1m/s, 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 k -名模型，SIMPLEC算法。6.2 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。IterationNumber of lierationsReporting IntervalIterateApplyCloseHelpWWW7紊流计算结果及分析计算293步后

39、，已收敛，自动停止运算。残差监视窗口为Residuals contiriuity-x-velocity y-velocityz*velccity kepsilgnScaled ResidualsAug 22, 2010FLUENT 6? (3d, dp, pbns, rlw)7.1 显示流速等值线图7.1.1 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 inletUDF Profile Update IntervalUTeOi 1h»-01 心4144311但划 9通也 BJ90e-(E 目二公 T53eH2 5两 6.

40、I&B-432i.-023.436-CE 热睡心 2D5ft4E 137EHE6 JE&-03 gmCoibira 讨债 B晔 li 可 rticfe '!n.4jAig纥如。FILU ENT B J M 中,中1¥,可见，入口处流速分布不明显，基乎都等于入口流速u2=0.1m/s，只是外层靠近壁面处流速几乎为O(2) Velocity of outletUTeOi 1h»-01 心4144311£Be-01 9通也BJ9Oe-(E目二公753eJ25两6.I&B-4323.436-CE 2T睡心2D5ft4E 137EHE6 JE

41、&-O3gmCoibira DTVelocMitrtide ijn.4：i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。7.1.2 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：II 37e-01 1,加01 1.234-01 l.lte-01 l.lOc-01 1.03e-0i S.59e-Q2 8.Me-02

42、7.通-02 6.fl5«-02 &1M2 5.4e-02 4.7Se-02 4.11e-02 1426-02 274e-02 2.05«-Q2 1.3?e-02O.He+DDCarttolirs of Velocity Magnitude (mfsAug 22, 2010FLUENT 6.3 (3d, dp.pbns, rk&)(2) Velocity of z-0整根圆管：I闭41130f 划 心4g划1D3e-d1E3Qe-O26两6. *02凡脑心，睡M1SME!3.4-CE2JU-CE20544137B-CE6J9S-03£De4OAig

43、.2010F LU ENT 63 国中,pblt,掘)Coitoins of廿else呷Haghlticfe ijn.4)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O(3)入口段1376-011.3001i.23e-0i1.10e-0l1.03C-01S.5a«-02S.SDfi-02a.22e-Q27.53«-026.fl5e-026.16e-025.43e-024.79e-024.11e-02142e-02274C-022.05e-021.37e-020.00#+00Aug 22, 2010FL

44、UENT 6 3(3d, dp, pbns, rlw)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(4)出口段1.374-Q11.30e-0l i.23e-0il.03e-Qi 9.伽3S.-9fle-02 a.22e-02 7.53«-02 6.fl5e-026.16e-02 5.45-024.79024.11-02 3.42e-02 2.?4e-02

45、206«-021.37e-02 6.8603 o.w«+ooContours 0f Velocity Magnitude frrVsAug 22, 2010FLUENT 6 3 (3d. dp. pbflis, rke)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。7.1.3轴向流速的变化执行 Plot XY Plot,选择 Y Axis Function 里的 Velocity 和 Velocity Magnitude ,选择 Sufaces 里圆管的 对称轴line-x,可得到轴向流速分布散点图

46、。* line-。Velocity Magnitude (m/s)Velocity MagnitudeAug 22, 2010FLUENT 6 3 (3d, dp, pbfl.5, rke)由上图可以看出，在圆管的轴上，进口段流速分布变化较大，从进口流速匕=0.1m/s急剧上升到最大流速umax =0.1369m/s。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1.20蛇口1 -1 Me-01a Me-D2 -一 * * * * * * *6 Me-02 -* * * *4 Me-02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

47、公式可以算的，即(1-14)L ： 25|_ 40 d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。7.1.4出口截面的流速分布散点图Plot direction 的选取)因紊流并未充分，故选取出口截面来进行分析（注意 I * outletVelocityMagnitude(m/s)O.OOs+OD ， ， ». 4 . 修一-0.05 YIM -0,03 0皿 -0,0100 010 020,030,040.05Position (m)Vfk?qi(y MsgnitudeA22,2fl10FLUENT £3 隅,dp, pbns.riu)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