超空泡鱼雷水冲压发动机进水管道水力特性计算

本科毕业设计论文第一章绪论1本文研究背景1.1俄罗斯的“暴风”超空泡鱼雷所谓超空泡鱼雷(supercavitationtorpedo)是指低阻超高速鱼雷。这种鱼雷航行时，在其表面及其附近区域形成汽(气)体包层，从而大大降低了航行阻力，使航行速度得以大幅度提高。目前航行速度最快的常规鱼雷是英国的“矛鱼”(Spearfish)鱼雷，其浅水最高航速为75节，俄罗斯的超空泡鱼雷航行速度已超过200节。超空泡鱼雷的出现源自空化理论，即当液体内部局部压力降低到一定程度时，在液体或固体与液体交界面上，会形成蒸汽或气体的空穴，即空泡。超空泡鱼雷利用其特殊的外形设计，随着动力系统的不断加速，使其表面及附近区域处于空化状态，并辅以适当的人工充气，使鱼雷处于汽(气)体包层中，并保持汽(气)体包层在鱼雷航行中的稳定性。超空泡鱼雷一般具有多个(多级)动力推进装置，以满足其初始、加速及巡航(超空化)等不同航行阶段的需要。超空泡鱼雷目前仍属于直航鱼雷，其最大优点在于速度快，不受各种水声和电子对抗器材的干扰。随着现代战争的需要和科学技术的发展，超空泡鱼雷将成为鱼雷的一个重要发展方向，美国在其发表的《2000～2035年美国海军技术》中指出：利用超空泡和金属水反应发动机作为未来几十年水下兵器的重要研究和发展方向。俄罗斯的“暴风”火箭动力鱼雷是目前己知的超空泡武器，前苏联海军在历经十多年的秘密研究与发展之后，于1977年研制成功并装备部队。“暴风”超空泡鱼雷由固体火箭发动机牵引，速度超过300海里/小时(500km/h),其速度之快，即使不携带战斗部，其自身质量和速度也能击沉一艘潜艇。俄罗斯非常重视超空泡武器的研发工作，前苏联的乌克兰流体力学研究所于1960年就开始研制暴风超空泡鱼雷。20世纪70年代中期，设计出第一代暴风鱼雷。并于80年代和90年代初继续发展第二代暴风超空泡鱼雷。图1-1示出的是暴风超空泡鱼雷在水下的航行示意图。图1-1暴风超空泡鱼雷在水下的航行示意图“暴风”配备两台发动机。一台是固体火箭发动机,一台是金属水燃料喷水式涡轮发动机。固体火箭发动机先点火,实施双平面程序控制,将鱼雷引导至攻击深度,然后启动另一台发动机,以超高速直航弹道攻击目标。“暴风”鱼雷运用奇特的超速空泡原理。它头部设置向后倾斜导流板,就是为了利于将层流分开,形成超速空泡的平滑复面层。雷上还设有气体发生器,主要使用发动机排出废气来补充空泡。鱼雷在水下运动时产生形同椭球状的气泡,把鱼雷表面包裹起来。整个鱼雷在航行中只有头部导流板和尾部空泡消失点两处与水有接触,其余绝大部分在筒状空洞亦即空泡中。这种超级空化现象导致全雷阻力急骤下降,大大减少高速物体与海水的摩擦力,从而使鱼雷达到令人吃惊的200节(100米/秒)超高航速,超过通常鱼雷速度的3~5倍，其速度极快，基本上不给目标反应时间或规避时机。在8公里距离上,发射超高速“暴风”,只用一分半钟就可摧毁目标。实现超空泡武器最重要之处是必须有先进的控制系统和先进的推进系统。先进的控制系统“风雪”鱼雷曾被认为是不怎么精确的武器，因为它只能直航，但是未来的超空泡装置是可以设计成在水中机动航行的。这可以通过利用诸如尾翼之类的穿穴控制面和推力矢量系统（发动机排气的定向喷嘴）进行控制。但是在转弯航行时必须小心，以使鱼雷保持在气穴之内。研究人员还考虑，通过同时在两个平面内移动或转动头部空泡发生器来实现偏航和俯仰机动，以及利用鸭式翼进行控制。如果控制面能够正确的协调，超空泡航行器就可能是高度灵巧的，当超空泡系统在低密度气泡内进行无支援运行时，后部常常撞击气穴内墙，而从正常的水下航行过渡到超空泡状态和再返回成原态，可以通过对部分气穴进行人工通气来实现，通过改变速度来保持和扩大气穴。将气体注入气泡使之扩大并保持运动状态，然后慢慢地减小其尺度以降低其速度，从而可以很容易地实现水下武器控制。超空泡鱼雷的外形示意图如图1-2所示。图1-2超空泡鱼雷先进的推进系统大多数现有的和预期的自主式超空泡航行器还必须依靠火箭发动机产生所需的推力。但是常规火箭必然伴生某些严重的缺陷：航程有限和当深度增加时推力随着压力的增加而下降。前者应以一种高能量密度动力装置技术来解决；后者可利用专门的超空泡推进螺旋桨技术来加以防止。达到超空泡速度需要很大的能量，为实现火箭的最大航程必须燃烧有最大比推力的高密度燃料。在对多种动力装置进行比较之后，俄罗斯专家的结论是：“只有燃烧金属燃料（铝、锰或锂），并利用海水作为氧化剂与燃烧生成物的冷却剂的高效燃气轮机或喷气推进系统，才是推进超空泡航行器实现最高速度的最佳途径”。据悉，宾夕法尼亚大学应用研究实验室正在运行一种燃烧铝的“水冲压”系统，它是海军水面舰艇的一种辅助动力装置。超空泡推进螺旋桨技术试验表明，与火箭相比较，螺旋桨叶提供的潜在推力要高20％。今天,人们已经明了,关键技术一旦取得突破，海战模式势必大大改观。1.2超空泡武器关键技术突破之一——金属水反应发动机水下超高速航行器能以极快的速度发动攻击，任何防御手段对它都无可奈何，该武器将会大大改变海上的作战模式。世界各国都对超空泡武器的发展投入了大量的资金和精力，超空泡武器的下一步发展需要解决大量的技术问题，而包括超空泡发生系统、导弹水下控制和制导技术和推进系统技术改进等一系列关键技术在发展中一旦得到突破，超空泡武器的应用在未来将会得到很大的拓展。水冲压发动机是用于水下航行器的新型动力，其机械能源于金属与水的反应热。它将外部的水引入冲压燃烧室，通过金属粒子与水燃烧反应释放热能，产生高温高压燃气，最后通过喷管产生推力。这种水冲压发动机具有结构简单、燃烧组织易于实现、能够反映发动机基本工作原理等优点，被认为是有应用前景的重要动力形式。1.3水冲压发动机的工作原理水冲压发动机是用于水下航行器的新型动力，它将外部的水引入冲压燃烧室，通过金属粒子与水燃烧反应释放热能，产生高温高压燃气，最后通过喷管产生推力.水冲压发动机的机械能源于金属与水的反应热。冲压发动机形式是将铝粉制成高金属含量的固体推进剂药柱，通过一次燃烧产生含有大量未反应金属粉末的燃气，并以此实现铝粉的输送。由于推进剂力学性能、燃速性能及喷射效率等因素的制约，金属含量受到一定限制，可能使发动机的理论比冲稍低。尽管如此，这种水冲压发动机具有结构简单、燃烧组织易于实现、能够反映发动机基本工作原理等优点，被认为是有应用前景的重要动力形式。在能量储备方面，水金属反应推进剂是最高效的能量来源。水反应金属的能量密度很高，使用这类燃料是推进高速航行器的最佳途径。而且该发动机的推进喷射系统的燃料是与水反应的，更可以大幅提高比冲，这种发动机在比冲和冲量密度上都高于传统的火箭燃料，克服了固体火箭发动机工作时间短，可控性能差的不足。由于采用水反应金属燃料，航行器可以仅携带金属燃烧剂，作为氧化剂和冷却剂的水可以从外界海洋环境中获取，极大地提高了能源储备量，为大功率远航程提供了物质基础，更因为无需携带氧化剂，推进系统的整体结构非常紧凑，减少对鱼雷内部有限空间的占有率。图1-2为燃气式水冲压发动机的工作原理图。图1-2燃气式水冲压发动机的工作原理1.4水冲压发动机的重要部件之一——进水管道进水管路是金属／水反应冲压发动机的一个重要部件，其功能是利用迎面高速水流的速度冲压，有效地将其速度头转化为压力头，提高水流的压强，并为发动机提供所需要的水流量。由于外界环境错综复杂，流速和压强等水力条件均不稳定，而燃烧室需要一个较为稳定的燃料供给，不同的进水量和水压均会对燃烧室的工作造成影响。为了使发动机在一个稳定正常的状态工作，必须对进水管道水力特性进行计算，这包括在不同压力即不同水深和不同流速下水流经过进水管道时的水力损失，得出水力损失与流速水压的关系，研究出三者之间的规律，从而为发动机设计进水稳压装置保证发动机的稳定运行，研究水冲压工作过程，设定水冲压管路的基本外形结构参数，并研究其性能，设计水冲压发动机工作参数、计算水冲压发动机性能都是不可或缺的一环。二、本文研究内容与方法本文根据流体力学基本原理，通过数值模拟分析，计算多种工作状况下管道水力特性。具体步骤分为：(1)分析进水管道流动特性，选择控制方程，建立计算模型；(2)根据计算模型选择计算方法；(3)根据研究对象，建立数值模拟计算模型；(4)输入边界条件并迭代求解控制方程；(5)输出求解结果，统计演示计算结果，对计算结果正确性进行验证，分析并得出一般规律。（6）对整个计算分析过程进行总结

第二章流动分析及方法选择2.1管内流动的一般特性2.1.1管道流动的两种流态英国科学家雷诺将管道内的流动分为两种流态：层流和湍流。管道中水质点只做沿管轴线的直线运动，而无横向运动，看可以认为此时水在管内做分层流动，各层互不干扰互不相混，这种流动称为层流；当水在管道中向前流动时，完全处于无规则的乱流状态，则称这种流动为湍流。当流动为湍流时，即使边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特征都将随机变化。这样的流动，牛顿内摩擦定律不能使用，研究它多用一些经验或半经验公式。湍流和层流的基本区别是湍流的流动参数，如速度的三个分量，压强和温度等都随时间发生随机不规则的脉动。湍流的流动参数随机脉动，因而其流动特性和层流有着巨大的差异。图2-1描述了湍流的形成机理。图2-1湍流的形成试验和理论研究表明：决定管内流动状态的判据是一个无量纲准则数——雷诺数ReRe=ρνdμ其中ρ为流体密度，v为流体流速，d为管道直径，μ为流体运动粘性系数。当Re<2100时，管道内的流动为层流，当Re>当d，μ，ν变化时，湍流和层流可以相互转化。通过改变管道直径，流体速度及流体的动力粘性系数，可以实现两种流态的相互转化。2.1.2管道内充分发展的湍流湍流遵循连续方程的约束，在高雷诺数下为三维流动，具有以下三个特征不规则性。流动物理量随时间和空间随机脉动，通常采用统计平均方法来表示流体运动的物理量；扩散性。湍流流场中涡体的掺混过程中将增加动量能量质量的交换，不然伴随传质传热和传递动量；能量耗散性。涡体的传递中必然消耗能量，粘性切应力不断将湍动能转化成流体的内能而消耗掉。能量耗散性是由于流体与管壁之间的摩擦力产生的切应力造成的。在粘性层流运动中，各层流体间的内摩擦引起了粘性应力，其大小可以用牛顿切应力公式计算。在湍流运动中，除了有层流内摩擦引起的层流应力外，还有附加应力。由于脉动，各流动层中不同速度的流体质点因脉动进入相邻的流体层时，各流体层之间就发生了能量交换，从而在流体层之间产生了湍流附加应力，称之为为雷诺应力。所以湍流中的切应力应分为两部分：层流切应力与湍流雷诺应力之和。图2-2为层流在管道中的示意图。在层流中，由牛顿粘性定律得：τlam=μdu由壁面不滑移条件：r=R，u=0得出管内层流速度分布：u=G4μ（R2在湍流中，由于单位时间内通过某一面积的动量通量总是等价于周围流体作用在该面积的大小相等反方向相反的力，所以湍流脉动引起的x方向动量传递在单位面积上产生的切应力为-ρu'v'。（u'τ=τlam+图2-2管内层流示意图图2-3管内湍流结构湍流运动中，由于流体涡团相互掺混，互相碰撞，因而产生了流体内部各质点间的动量传递；动量大的流体质点将动量传递给动量小的质点，动量小的流体质点牵制动量大的质点，结果造成断面流速分布的均匀化。可以把湍流区域划范围三个：粘性底层，过渡区，湍流核心区，图2-4给出了湍流区域划分示意图.流体进入管道以后，由于粘性作用，管壁上的流体质点速度为零，近壁处很薄的一层流体内速度梯度很大，称为边界层，在边界层内，速度由核心区的最高值降为零。流体沿管道前进，边界层的速度减小，而通过每个断面的流量是不变的，所以核心区的速度会增加。边界层的厚度沿流动方向逐渐增加，粘性剪切效应不断向核心区扩展，直至边界层增长到整个截面，速度的分布呈抛物线型，如图2-5所示.图2-4湍流区域划分图2-5管道中湍流的发展2.1.3总流伯努利方程理想流体运动的基本规律得到了流场中任一空间点上、任一时刻流体微团的压强和速度等流动参数之间的关系式:z1+P1ρg+V12ρg=z2+P2ρg其运用条件为：无黏，定常，只有重力作用，沿一条直线运动.实际流体都具有黏性，在流动过程中要产生摩擦阻力，为了克服流动阻力以维持流动，流体中将有一部分机械能不可逆地损失掉，因此还需考虑黏性对流体运动的影响。由于研究范围是整个管道的流场，这就必须把所讨论的范围从微元流束扩展到整个管道流场。前面中已经得到了理想不可压缩流体作定常流动时质量力仅为重力情况下的微元流束的伯努利方程，该式说明流体微团沿流线运动时总机械能不变。但是对于黏性流体，在流动时为了克服由于黏性的存在所产生的阻力将损失掉部分机械能，因而流体微团在流动过程中，其总机械能沿流动方向不断地减少。如果黏性流体从截面1流向截面2，则截面2处的总机械能必定小于截面1处的总机械能。图2-6给出了一般情况下直管中的总流伯努利方程示意图。则黏性流体微元流束的伯努利方程为：z1+P1ρg+V12ρg=z2+P图2-6总流伯努利方程示意图在图2-4所示的流束中运用式（2-5）可得截面1与截面2之间的关系式：(V122g+z1+p1ρg)ρgdQ=(V2dQ是该流束的体积流量，对于不可压缩流量，根据连续方程,dQ=V1dS1=V2dS2S1(V22g+z+pρg)ρgVdS在缓变流截面上，z+pρg=C，且有ρ=C，由Q=Q1=（α1V122g+z1+p1ρg）ρgdQ=（α2V222g+z1令1QS2α1V122g+z1+p1ρg=α2V22其中α为截面S的动能修正系数，对于大雷诺数的湍流流动，α通常取为1。hLT即为水流流经截面1到截面2的水力损失2.1.4管道中的沿程损失水流在管道中流动的水力损失分为局部损失（hj）和沿程损失（hL）由于本文中研究水平直管，所以局部损失不予考虑。沿水流方向，单位重量流体与管壁之间的摩擦，流体之间的摩擦所损失的能量称为沿程损失。在水平管中充分发展的层流通过求解N-S方程可得流场压降为：Δp=flD12ρf是摩擦系数，也称为沿程损失的阻力系数，其表达式为：f=64Re该管道中流体的流动状态为湍流对于水平圆管，沿程损失即管道内的压降可以用下式表示：Δp=flD其中f为摩擦系数，l为管道长度，D为管道直径，V为流速。湍流时f是Re和相对粗糙度Δf可以有以下几种方法得到：莫迪图。莫迪在对大量实验数据进行归纳的基础上，绘制出了莫迪图，f可以从莫迪图中查找。图2-7莫迪图首先，根据管道材料查表得到管道的等效粗糙度∆，确定为0.015mm，再根据流动条件计算出Re，Re=ρνdμ，d=14mm，μ=1.002×103N∙sm2，ρ=998.2kgm3，v为流体流速，v=100由于条件限制，在本例中无法对莫迪图进行精确查找，因而无法得到f的精确值，所以后一种计算方法仅做参考，不予采用。（2）勃拉休斯公式。对于水力学光滑管，可以用以下勃拉休斯公式求解f：f=0.3164Re（3）科尔布鲁克公式。1f=-2.0log该公式应用于莫迪图中整个非层流区域，是f的隐函数，具体运算是需要迭代求解。在本文的进水管道中：V1=V2，Z1=Z2，整个管道模型可以简化为如图2-8所示，且流动类型为湍流，hhL=p1ρg-p2ρg=Δpρg图2-8模型简化图可见，进水管道中的沿程损失可以用管道两端的压降来表示。水流在入口处的流动近似于一个突缩管，此处任然会存在局部损失。入口处的局部损失可以由以下公式得到：hi=ζζ为局部损失系数。由于存在局部损失，所以入口处的压力分布也不均匀，入口处存在一段过渡区。水流经过过渡区以后，逐渐变成充分发展的湍流，此时问题就转化成为远观内充分的湍流模型，这就是本文研究的主要问题。湍流的流动参数，如速度的三个分量，压强和温度等都随时间而发生随机不规则的脉动，所以湍流的切应力有两部分组成：雷诺应力和层流切应力，即：τ=τlam+其运动方向与流动方向相反。由于充分发展条件下的流动没有加速度，此时的压力应该与切应力平衡，如果流束的直径和长度分别记作d和l，则有：ΔPπ4d2=τ从高能量角度讲，对于实际流体，由于存在粘滞力，流动会受到一定的流动阻力，为了克服这种阻力，就必须消耗掉一部分机械能。这部分机械能就是之前提到的沿程损失，它可以通过管道两端的压力差来表示。在本例的管道中，z1=z1，V1=V2，α为动能修正系数，通常取1hL=p1ρg-p所以，管道内的压力损失就可以通过管道两端的压降来表示。在管道流动中，造成压力损失的因素有两个：流体自身的粘滞力和流体与管壁的摩擦应力。这使得管道流体压力沿流动方向随着管道向前延伸出现了减小的趋势，这些能量的损失会以热能的形式耗散掉。而本例研究水力损失与速度及水深的关系，P1有两部分组成：水深引起的静压ρgh和速度引起的动压1P1=ρgh+1P2ΔP=ρgh+12ρν2.2计算方法的选择目前研究流体运动问题的方法主要有三种：CFD法，理论分析法，实验测量法。图2-8为“三维”流体计算示意图。理论分析法所得的结果具有普遍性和一定的准确性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研究和数值法的基础，但它需要对计算对象进行抽象和简化，对较为简单的流动问题可以得出理论上的解析解，对于复杂的特别是非线性问题，很难求解。实验测量法得到的实测结果一般真实可信，是理论分析和数值计算的验证依据，然而实验往往受到实验条件（如模型尺寸，形状，流场扰动和测量精度等）的影响和限制，很难得到精确结果，有时还会造成人力物力的巨大损耗。图2-8‘三维’流体计算示意图CFD法是一种在流动基本控制方程控制下的流动进行数值模拟的一种方法，该方法可以获得复杂流场内各个位置上的基本物理量（如速度，压力，温度，浓度等），据此得出其流动特征变量，并通过特定的流动规律建立起这些变量之间的关系，组成代数方程组并求解，从而获得这些变量的近似值，从本质上讲，就相当于在计算机上做了一次实验。湍流是一种高度非线性的复杂流动，研究湍流的主要目的就是要能对其进行预测和控制，就目前的技术，有可能用理论分析法对简单流动的统计特性进行近似的计算和预测，而对于较为复杂的流动，理论分析法就达不到精确度的要求了。而实验法由于实验条件的差异和其他偶然因素，亦不能完全达到预定的精度。在本例中，静水管道中的流场分布较为复杂，为了尽可能达到鱼雷设计的准确性，因而采用CFD法。2.3CFD方法简介计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，简称CFD)是21世纪流体力学领域的重要技术之一，使用数值方法在计算机中对流体力学的控制方程进行求解，从而可预测流场的流动。CFD最基本的考虑是如何把连续流体在计算机上用离散的方式处理。一个方法是把空间区域离散化成小胞腔，以形成一个立体网格或者格点，然后应用合适的算法来解运动方程。CFD方法适应性强，应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线性的，且自变量多，计算域边界条件复杂，很难得出解析解，而用CFD方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可以利用计算机进行各种数值模拟，例如，选择不同参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，进而进行方案比较，在本文中就利用了CFD的这种特性；再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省时省钱，有较大灵活性，可以很容易真实模拟各种实验环境。图2-9演示出了CFD方法模拟的模拟高速行驶赛车表面压力场分布。图2-9CFD模拟高速行驶赛车表面压力分布CFD方法的基本内容和步骤：模型的建立数学模型的建立是进行模拟的第一步。首先应该确立研究对象的物理模型。对所研究的问题作一定模型化假设。建立模型时一般应考虑以下几方面因素：从物理模型的性质上看，是无粘流动还是粘性流动，是可压流动还是不可压流动；从物理模型的运动状态上看，是定常的还是非定常流动，有旋还是无旋流动，层流还是湍流，亚声速还是超声速流动等。例如，当物理过程中流体的物性变化不大时，可作常物性的假定：物理量的场在某一方向上变化相对于其他两个方向很小时可以作二维假定等，然后根据该物理模型确定数学模型。数学模型的选择非常重要，如果所采用的数学模型不适合，即使数值方法再完美，结果也不会符合物理实际，更谈不上工程应用价值。流体流动的定解条件大多数情况下，流体的任何流动都满足连续方程和运动微分方程组，有时还包括能量方程。方程中包含的未知量比方程个数多，因此还要添加方程才能使之封闭，这些方程视流动情况来定，一般是组份方程，状态方程，密度方程，k-ε方程等。有了封闭的方程组，为了得到确定的解，还必须给出相应的定解条件。定解条件分为两类：起始条件和边界条件。对于非稳态流动要结定起始条件。即在起始时刻t=0所给定的流场中每一点的流动参数。除此之外，任意瞬时运动流体所占空间的边界上必须满足边界条件。工程应用中常见的边界条件有壁面上的，不同流体交界面上的，无穷远处的及管流进口处的边界条件等。湍流的模拟湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动。在湍流中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向分布是随机的。由于流体内不同尺度涡旋的随机运动造成了湍流的一个重要特点——物理量的脉动。一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的N-S方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。关于湍流运动与换热的数值计算，是目前计算流体动力学与计算传热学中困难最多，因而研究最活跃的领域之一。湍流模型理论或简称湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依造理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。湍流运动物理上近乎无穷多尺度漩涡流动和数学上的强烈非线性，使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题。虽然N-S方程能够准确地描述湍流运动的细节，但求解这样一个复杂的方程会花费大量的精力和时间。实际上往往采用平均N-S方程来描述工程和物理学问题中遇到的湍流运动。当我们对三维非定常随机不规则的有旋湍流流动的N-S方程平均后，得到相应的平均方程，此时平均方程中增加了六个未知的雷诺应力项，从而形成了湍流基本方程的不封闭问题。根据湍流运动规律以寻找附加条件和关系式从而使方程封闭就促使了几年来各种湍流模型的发展，而且在平均过程中失去了很多流动的细节信息，为了找回这些失去的流动信息，也必须引入湍流模型。目前虽然许多湍流模型已经取得了某些预示能力，但至今还没有得到一个有效统一的湍流模型。Spalart-allmaras模型适于模拟中等复杂的内流和外流以及压力梯度下的边界层流动（如翼形、机身、导弹和螺旋桨等）。目前S-A模型被广泛应用于航空航天领域的CFD计算中。同时该模型相对简单，计算量少，所以在初步计算研究中选取该湍流模型。（4）划分网格网格在数值模拟计算过程中至关重要。由于工程上遇到的问题大多发生在复杂区域内，因而不规则区域内网格的生成是计算流体力学中一个十分重要的研究领。实际上数值计逄结果的最终的精确程度及计算过程的效率，网格质量的影响是非常大的。只有当网格的生成及求解流场的算法很好的匹配时，才能得到成功而高效的计算结果。网格可分为结构化网格、非结构化网格和混合网格三大类。在结构化网格中，每一节点及其所处的几何位置的几何信息必须加以存储，但该节点与其相邻节点关系则可依据网格编号规律自动得出，因而不必存储这类信息，这是结构化网格的一大优点。但是，当计算区域比较复杂时，即使应用专门的网格生成技术也难以处理所求解的不规则区域，这时可以采用组合网格，又称为块结构化网络。在这种方法中，把整个求解区域分解成若干个小块，每一块中均采用结构化网格，块与块之间是可以并接的，即两块之间有一条公共的边，也可以是重叠的。这种生成网格的方法既有结构化网格的优点，同时又不要求一条网格线贯穿在整个计算区域内，给处理不规则区域带来不少方便，目前应用很广。这种网格的关键是两块之间的信息传递。混合网格是将结构化网格和非结构化网格混合使用。非结构化网格相对于结构化网格存在着内存要求大，CPU运算时间长，不能使用结构网格中有效的加快收敛的措施和粘性流体计算中非结构化网格的生成尚需进一步研究等问题，于是提出了混合网格的方法。矩形网格是结构化网格中最简单的一种，具有计算简单快捷的特点，但是不易处理复杂边界。因此，最简单的混合网格是将非结构化网格和矩形网格混合。混合网格克服了单种网格划分的缺点，在计算过程中被广泛地采用。图2-9为CFD方法构建的一个复杂轴体的网格示意图。（5）建立离散方程。对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解（或称精确解或解析解）的。但由于所处理的问题自身的复杂性，一般很难获得方程的真解。因此，就需要通过数值方法把计算域内有限数量位置，从而建立一组关于这些未知量的代数方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置上的值则根据节点位置上的值来确定。由于所引入的应变量在节点之间的分布假设及推导离散化方程的方法不同，就形成了有限差分法、有限元法、有限元体积法等不同类型的离散化方法。图2-9CFD构建复杂轴体模型在同一种离散化方法中，如在有限体积法中，对对流项所采用的离散格式不同，也将导致最终有不同形式的离散方程。对于瞬态问题，除了在空间域上的离散外，还要涉及在时间域上的离散。离散后，将要涉及使用何种时间积分方案的问题。CFD需要将N-S偏微分方程转化成每一节点上的一组代数方程，该方程组中包含有该节点及附近节点上所示函数之值，这就是离散方程组。当我们把注意力集中在网格结点处的值时，我们就已经用离散的值取代了包含在微分方程精确解中的连续信息。在一定网格的基础上建立离散方程组的方法有如下几种：有限差分法、有限元法、有限容积法、边界元法、谱分析法、数值积分变换法等等。CFD中实际应用较多的是有限容积法，即将守恒型的控制方程对区域离散后形成的控制容积积分，对于节点间物理量的变化特性给出假设，从而把积分进行到底，得出节点间物理量的代数方程式。用有限容积法导出的离散方程可以保证有守恒性，对区域形状的适应性也比有限差分法好，是目前应用最普遍的一种方法。目前一些商业化CFD软件均采用这种方法，如PHOENICS，FLUENT，CFX，STAR-CO等。在控制容积法中，所谓对流项的离散格式就是指控制容积界面上函数的插值方式，常见格式有：一阶迎风（FUD），二阶迎风（SUD），中心差分（CD），QUICK格式等。其中QUICK格式（QuadraticUpwindInterpolationofConvectiveKinematics，对流项的二次迎风插值）是最常见的一种，在目前的商业CFD软件中都引进了该格式。为减少假扩散而引入的计算误差，同时又使格式有较好的对流数值稳定性，构造带迎风倾向的高阶格式是一种普遍采用的方法。对一阶导数项的离散是进行数值求解时主要问题之一。上面讨论了对流项的处理方法，而对于压力梯度，在不可压缩流体的控制方程中是以源项的形式出现的，在求解不可压缩流体的流场问题时，如果把动量方程和连续性方程离散得到的代数方程组联立求解，就可以得到各速度分量及相应的压力值。（6）离散初始条件和边界条件前面所给定的初始条件和边界条件是连续性的，如在静止壁面上速度为0，现在需要针对所生成的网格，将连续型的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值，如静止壁面上共有90个节点，则这些节点上的速度值应均设为O。这样，连同所建立的离散的控制方程，才能对方程组进行求解。在商用CFD软件中，往往在前处理阶段完成了网格划分后，直接在边界上指定初始条件和边界条件，然后由前处理软件自动将这些初始条件和边界条件按离散的方式分配到相应的节点上去。（7）给定求解控制参数在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件和边界条件后还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等。此外，还要给定迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。在CFD的理论中，这些参数并不值得去探讨和研究，但在实际计算时，它们对计算的精度和效率有着重要的影响。（8）求解离散方程在进行了上述设置后，生成了具有定解条件的代数方程组。对于这些方程组，数学上已有相应的解法，如线性方程组可采用Gauss消去法或Gauss-seidel迭代法求解，而对非线性方程组，可采用Newton-Raphson方法。在商用CFD软件中，往往提供多种不同的解法，以适应不同类型的问题。这部分内容，属子求解器设置的范畴。（9）判断解的收散性对于稳态问题的解，或是瞬态问题在某个特定时间步上的解，往往要通过多次迭代才能得到。有时，因网格形式或网格大小、对流项的离散插值格式等原因，可能导致解的发散。对于瞬态问题，若采用显式格式进行时间域上的积分，当时间步长过大时；也可能造成解的振荡或发散。因此，在迭代过程中，要对解的收敛性随时进行监视，井在系统达到指定精度后，结束迭代过程。这部分内容属于经验性的，需要针对不同情况进行分析。（10）显示和输出计算结果通过上述求解过程得出了各计算节点上的解后，需要通过适当的手段将整个计算域上的结果表示出来。可采用线值图、矢量图、等值线图、流线图、云图等方式对计算结果进行表示。所谓线值图，是指在二维或二维空间上，将横坐标取为空间长度或时间历程，将纵坐标取为某一物理量，然后用光滑曲线或曲面在坐标系内绘制出某一物理量沿空间或时间的变化情况。矢量图是直接给出二维或三维空间里矢量（如速度）的方向及大小，一般用不同颜色和长度的箭头表示速度矢量。矢量图可以比较容易地让用户发现其中存在的漩涡区。等值线图是用不同颜色的线条表示相等物理量（如温度）的一条线。下图就给出了一个FLUENT演示的速度等值线图。流线图是用不同颜色线条表示质点运动轨迹。云图是使用渲染的方式，将流场某个截面上的物理量（如压力或温度）用连续变化的颜色块表示其分布。

第三章模型建立与求解3.1FLUENT软件基本简介FLUENT的软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题,FLUENT开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象。FLUENT用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。下图即为FLUENT模拟一个复杂的流场流动。图3-1FLUENT模拟复杂流场流动由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。FLUENT软件能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流(包括各种非牛顿流模型)、湍流(包括最先进的湍流模型)、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等。对每一种物理现象的流动特点。有适合的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。14

这使得FLUENT在湍流、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FLUENT的作用主要体现在缩短设计过程，减少实验室测定试验的数目。减少产品开发成本，即为CFD作用所在。由于采用了统一的前、后置处理工具，在各种软件之间可以方便地进行数据交换。采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，节省了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动。所包括的软件模块:GAMBIT——专用的CFD前置处理器，FLUENT系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的GAMBIT前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之前处理器，然后由Fluent进行求解。GAMBIT可以构造各种的复杂网格，图3-2就给出了一个GAMBIT生成复杂结构网格的例子。图3-2应用GAMBIT生成复杂网格FLUENT的后处理可以生成有实际意义的图片、动画、报告，这使得CFD的结果非常容易地被转换成工程师和其他人员可以理解的图形，表面渲染、迹线追踪仅是该工具的几个特征却使FLUENT的后处理功能独树一帜。FLUENT的数据结果还可以导入到第三方的图形处理软件或者CAE软件进行进一步的分析。FLUENT6.3——基于非结构化网格的通用CFD求解器，针对非结构性网格模型设计，是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场问题的CFD软件。可应用的范围有湍流、热传、化学反应、混合、旋转流（rotatingflow）及震波（shocks）等。在涡轮机及推进系统分析都有相当优秀的结果，并且对模型的快速建立及shocks处的格点调适都有相当好的效果。图3-3FLUENT程序基本结构FLUENT软件具有如下优点：功能强,适用面广。包括各种优化物理模型,如:计算流体流动和热传导模型(包括自然对流、定常和非定常流动,层流,湍流,湍流,不可压缩和可压缩流动,周期流,旋转流及时间相关流等);辐射模型,相变模型,离散相变模型,多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点,有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。(2)高效,省时。Fluent将不同领域的计算软件组合起来,成为CFD计算机软件群,软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。(3)建立了污染物生成模型。包括NOX和ROX(烟尘)生成模型。其中NOX模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃烧系统里回燃导致的NOX的消耗。而ROX的生成是通过使用两个经验模型进行近似模拟,且只使用于湍流FLUENT同传统的CFD计算方法相比，具有以下的优点：（1）稳定性好，FLUENT经过大量算例考核，同实验符合较好。（2）适用范围广，FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域。（3）精度提高，可达二阶精度。3.2建模求解过程3.2.1管道物理模型进水道计算物理模型如图3-4所示。进水道入口位于航行器头部，由于本文重点研究进水道特性，考虑到入口下游对入口流动没有影响，物理模型只包括航行器头部壳体。为了突出研究重点和易于建立模型，对航行体头部做合理简化。图3-4进水管道三维造型航行体头部安装空化器，进水道是直径为的圆柱状管道。当航行器航行时，水流由进水道入口流入，经进水道进入发动机燃烧室。由于整个进水系统是一个回转体，可以取进水系统的沿轴线剖面图作为研究对象，所以该系统可以简化为下图所示结构：图3-5进水管道二维简化图进水管道左侧部分连接外部水源，右侧部分连接发动机燃烧室。管道尺寸：长度2000mm，直径14mm。本课题研究内容即为外界水流流经细长进水管道时的水力特性。图3-6给出了管道如口出的局部网格视图。3-6管道如口出的局部网格视图。由于该管道几何形状较为简单，且流动状态对称分布，所以可以将模型进一步简化，取其对称轴的一侧进行建模，具体建模步骤如下：选择求解器，创建控制点。在FULENT6.3中，GAMBIT默认求解器为FLUENT5/6，通过选择Operation→Geometry→Vertex按钮根据管道的实际尺寸在创建点表单中依次创建各个点。创建边和面。通过选择Operation→Geometry→Edge将上一步创建的四个点连接成各通过选择Operation→Geometry→Face连接各条边，将其组成一个面条边界，也可以通过输入具体长度尺寸来建立面，但由于本例不是简单规则的几何形状，所以采用前一种方法创建面。划分网格。通过Operation→Mesh→Face直接对之前创建的面进行网格划分。网格划分越细，计算精度越高。连续性区域的离散化使得流动的特征解（剪切层，分离区域，激波，边界层和混合区域）与网格上节点的密度和分布直接相关。在很多情况下，关键区域的弱解成了流动的主要特征。边界层解（即网格近壁面间距）在计算壁面剪切应力和热传导系数的精度时有重要意义。这一结论在层流流动中尤其准确，网格接近壁面需要满足：yp其中=从临近单元中心到壁面的距离；=自由流速度；=流体的动力学粘性系数；为边界层起始点开始沿壁面的距离。网格的分辨率对于湍流也十分重要。由于平均流动和湍流的强烈作用，湍流的数值计算结果往往比层流更容易受到网格的影响。在近壁面区域，不同的近壁面模型需要不同的网格分辨率。大梯度区域如剪切层或者混合区域，网格必须精细化以保证相邻单元的变量变化足够小。所以在近壁面和速度突变处的网格应该比其他区域的网格要细密。（4）设置边界条件，输出网格。边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值。它是FLUENT分析很关键的一部分。设定边界条件并输出网格。压力出口边界条件用于定义流动出口的静压（在回流中还包括其它的标量）。当出现回流时，使用压力出口边界条件来代替质量出口条件常常有更好的收敛速度。由于本例中主要研究计算管道入口和出口的压力关系，所以边界条件通过Operation→Zone按钮分别设定为Pressure-inlet和Pressure-outlet。压力入口边界条件用于定义流动入口的压力以及其它标量属性。它即可以适用于可压流，也可以用于不可压流。压力入口边界条件可用于压力已知但是流动速度或速率未知的情况。压力入口边界条件也可用来定义外部或无约束流的自由边界。最后通过File→Export→Mesh输出网格。3.2.2利用FLUENT求解器求解（1）求解器的选择。FLUENT求解器一共有2d，2ddp，3d，3ddp四种类型，分别表示二维单精度，二维双精度，三位单精度，三位双精度。在大多数情况下，单精度已经足够高效准确，但在几何结构或计算域包含的长度范围很大和求解高纵横比的网格问题情况下单精度计算会导致边界信息无法有效传递，进而使收敛性和精度下降。本例中建立的模型为二维模型，且为细长管，所以选用二维双精度求解器。（2）导入模型并进行网格检查。通过File→Read→Case将创建好的mesh文件导入FLUENT，再通过Gird→Check对网格进行检查，FLUENT中的网格检查提供了区域扩展、体积统计、网格拓扑结构和周期性边界的信息。区域范围列出了X、Y和Z坐标的最大值最小值，单位是米。体积统计包括单元体积的最大值、最小值以及总体积，单位是立方米。最后读出最小网格体积minimumvolume:1.911548e-0030，该网格可以进行计算，如果该值出现负值，就必须对网格进行重新划分。设置计算区域尺寸，显示网格。网格读入到FLUENT中之后有几种方法报告它的信息，可以报告当前问题的内存使用信息，网格的尺寸，网格分割的统计也可以报告一个区域接一个区域的单元和表面的统计数据。图3-7网格局部视图由于GIMBIT作图时所用长度单位为mm，而FULENT默认的长度单位为m，所以必须通过ScaleGird对话框对尺寸单位进行修改。依次点击Display→Gird,选择Surfaces列表中的所有部分，所显示的网格入口形状如图3-7所示。选择计算模型，设置操作环境。依次点击Define→Models→Solver选择求解器类型。FLUENT一共有三种求解方法：压力基隐式求解，密度基隐式求解，密度基显式求解。压力基隐式求解按照求解动量方程，压力修正方程，能量方程和组分方程的顺序进行求解，在计算湍流方程是收敛速度很快，湍流流动受壁面的影响很大，很明显，平均流动区域将由于壁面不光滑而受到影响。当然，湍流还受到壁面其他的一些影响。在离壁面很近的地方，粘性力将抑制流体切线方向速度的变化，而且流体运动受壁面阻碍从而抑制了正常的波动。近壁面的外部区域，湍流动能受平均流速的影响而增大，湍流运动加剧。无数试验表明，近壁面区域可以分成三层区域，在最里层，又叫粘性力层，流动区域很薄，在这个区域里，粘性力在动量，热量及质量交换中都起主导作用，处于这两层中间的区域，粘性力作用于湍流作用相似。对于大多数高雷诺数的流动，壁面方程法能充分节省计算资源，因为在近壁面粘性力影响区域，由于变量的变化太快，不需要解决，这种方法经济，实用而且很精确。所以在本例中在Solver中选择PressureBased,在Formulation中选择Implicit。由于本例中的流动为湍流，所以还需要设置湍流模型。k-ε模型具有较高的稳定性，经济性和计算精度，且适用于高雷诺数的湍流，本例中Re=6972.06，湍流模型选用k-ε模型。在近壁处理Near-WallTreatment中选用增强壁面处理EnhancedWallTreatment。FLUENT通过从绝对压力中减去操作压力（一般说来大的压力粗略的等于流动中绝对压力的平均值）来避免截断误差产生的问题，并使用得到的压力来计算，这个压力称作标准下面是操作压力，标准压力和绝对压力之间的关系式，绝对压力是操作压力和标准压力之和:pabs=pop通过Define→Operating操作环境对话框设置操作环境为标准大气压101325定义流体物理性质。即所使用的模型需要定义的物理性质。在FLUENT中，流体和固体的物理性质是与名字"materials"相关的，这些物理性质分配给区域作为边界条件。点击Define→Meterials定义流动环境及流体物理参数。本例中所用模型的定义区域为水。点击Data-base之后选择流体物质water-liquid,设置水的密度为998kgm3，Viscosity中设置为设置边界条件。边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值。它是FLUENT分析的很关键的一部分。压力出口边界条件用于定义流动出口的静压（在回流中还包括其它的标量）。当出现回流时，使用压力出口边界条件来代替质量出口条件常常有更好的收敛速度。在入口、出口或远场边界流入流域的流动，FLUENT需要指定输运标量的值流动进入压力入口边界时，FLUENT使用边界条件压力，该压力是作为入口平面的总压P0在不可压流动中，入口总压，静压和速度之间有如下关系：。通过出口分配的速度大小和流动方向可以计算出速度的各个分量。入口质量流速以及动量、能量和组分的流量可以作为计算程序在速度入口边界的大纲用来计算流动。对于不可压流，入口平面的速度既可以是常数也可以是温度或者质量分数的函数。其中质量分数是入口条件的值。在通过压力出口流出的流动，用指定的总压作为静压来使用。选择Define→BoundaryConditions对计算区域的边界条件具体数值进行设置，在Pressure-inlet中输入入口总压P1，在external-outlet中的Pressure-outlet中输入海水静压P2，将pipe-outlet中的为了研究压力损失与速度及深度的关系，在设置边界条件时，选择了多种工况下不同深度与速度的组合。具体选择了在深度五米时速度从100ms递增到135ms时的一组工况和速度为100ms时深度由3m递增到10m时的一组工况，具体工况组合由（7）设置求解方法并初始化。FLUENT提供两种数值求解方法：分离解法("FLUENT/UNS")和耦合解法("RAMPANT")。FLUENT的两种解法都可以解守恒型积分方程，其中包括动量、能量、质量以及其他标量如湍流和化学组分的守恒。在两种情况下都应用了控制体技术，它包括：使用计算网格对流体区域进行划分（对控制方程在控制区域内进行积分以建立代数方程，这些代数方程中包括各种相关的离散变量如：速度、压力、温度以及其他的守恒标量）；离散方程的线化以及获取线性方程结果以更新相关变量的值。两种数值方法采用相似的离散过程——有限体积。在本例中选用前者。表3-1工况组合分离解方法同时考虑所有单元来解出单个变量的场，然后再同时考虑所有单元来解出下一个变量的场，直至全部解出控制方程是分离解出的（即一个一个的解）。在网格中每一个单元都可以写出相似的方程。因为控制方程是非线性的（还是耦合的），所以在得到收敛解之前，必须进行迭代。点击Solver→Controls→Solutions选择控制方程。在开始计算之前或者对选定单元中选定的初始值进行修补之前，首先对全流场进行初始化。必须保证所提供的初始解能够包含求解器最后获得所需要的解。由于初始化对整个计算结果影响较大，所以给出的初始解要尽量接近真实解。（8）打开残差监控图，对残差标准进行设置。在每一步迭代之后，求解器就会将每一个守恒变量的残差计算出来并保存，这样就相当于记录了收敛的历史。求解器会将这些历史记录保存在数据文件中。如果假定计算机是具有无限精度的，那么解收敛也就意味着残差是零。实际的计算机都是具有有限精度的，所以当残差减小到某些较小值（截断）就不再变化了，这就代表计算已经基本达到收敛。在默认的情况下，FLUENT会在每一次迭代之后更新收敛监视器。残差是判断结果收敛的重要标准，它的值越小表示计算精度越高。具体残差设置数值如图3-8所示。图3-8残差设置（9）计算并保存Case文件。在计算过程中，迭代计算次数越多，计算精度就越高，所以为了保证计算结果的精确性，将迭代次数设置为5000次。同时，还要对残差曲线进行监控，如果残差曲线收敛，则代表迭代计算精度已经达到较高的水平。计算过程中残差曲线如图3-9所示。图3-9残差曲线变化经过5000次迭代后，残差曲线已经收敛，这表明计算已经达到了很高的精度，满足所需要求。如下图所示：图3-10达到收敛的残差曲线(10)保存计算结果。将计算结果保存为Data和Case文件，这些文件就可以用于后续的计算分析。

第四章计算结果分析4.1进水道流场状态分析4.1显示计算结果4.1.1读出不同工况下的压力差将之前保存的文件导入FLUENT，从Report的Surface-Integrals中分别读出external-inlet和pipe-outlet的值，然后用external-inlet减去pipe-outlet，其差即为管道中水流的压力损失ΔP。将工况组合求解出的ΔP：表4-1（1）深度-压力差表4-1（2）速度-压力差4.1.2显示压力等值线图等值线图是在物理区域上由同一条变量的多条等值线组成的图形，用不同颜色的线条表示响应的物理量。图3-8给出了本例网格的压力分布。图4-1压力等值线图4.1.3绘制速度矢量图。速度矢量图显示了管道中各点速度的大小和方向，描述了流体在管道中的速度分布，为研究流场中的速度特性提供了依据，下图为FLUENT画出的速度矢量图。图4-2速度矢量图4.1.4管道速度分布FLUENT还可以模拟流场中的速度分布，从而可以更直观的得到流体在管道中的流动模型，图4-3即为FLUENT绘制出的管道流动的速度分布图。图4-3管道速度流动分布4.2计算结果统计整理在固定深度变化速度和固定速度变化深度的工况计算中，通过建立湍流管道流动模型，由FLUENT计算出了不同工况下管道入口与出口的压力差ΔP。为了更直观的研究压力差ΔP与速度及深度的变化情况，下面将三者的变化规律通过二维图像展示出来：图4-4深度-压力差图4-5速度-压力差4.3计算结果分析4.3.1压力分析（1）管道入口处的压力分布首先取管道入口处进行分析。由于进水管道口安装了空化器，形成了一个突起的滞止面，相当于此时的水流流经一个突缩管的接口处，此处的局部损失较为明显。流线要发生弯曲。由于流体存在惯性，不可能随着管道的形状而发生突变，所以在空化器迎水流方向形成了一个高压区，沿水流方向形成了一个低压区。在流线弯曲，流体速度变化的过程中，流体质点会发生碰撞，压力分不会发生变化，会造成能量的损失。在空化器沿水流方向还有一个凹槽，这相当于流体流经了一个渐扩管。水流会在凹槽处形成漩涡，漩涡主要靠主流束带动旋转，主流束把能量传递给漩涡，由于漩涡内存在粘性摩擦力，会将能量通过热量形式耗散掉，而且与管壁的摩擦作用较明显，所以此处的水力损失最大，凹槽处较其他区域的水压最低。水流通过凹槽以后，处在一个类似于渐扩管的流场中，此管道的突变角θ较小，局部损失不明显，水压损失较少，所以在进入这段管道以后，各处的水压变化幅度不大，逐渐趋于均匀。图4-6演示了流体流经管道入口处的压力分布情况。图4-6管道入口处的压力分布（2）管道内压力分布。图4-7和图4-8分别给出了水流沿管道压力分布的局部视图和入口出口处动压分布散点图：图4-7水流沿管道压力分布的局部视图图4-7说明了管内流动总压沿管道会随着流动前进呈现出先小的趋势，这是因为管道中的沿程损失存在。图4-8中出口处动压随管道径向呈抛物线分布，这是因为动压与流动速度有关，而管道中的流动速度分布沿管道直径呈抛物线分布而在入口处，由于还处于湍流发展阶段，速度分布规律不明显，在局部区域速度还会出现扰动，在靠近避免的区域速度会由先前的初始速度突变为边界层速度，因此压力分布散点图会出现不规律变化。图4-8入口出口压力分布散点图4.3.2管道压力差的校核选定速度为100ms在水平管中充分发展的层流通过求解N-S方程可得流场压降为：Δp=flD12ρ通过求解f即可以得到管内沿程损失，即压降。Re=d=14mm，μ=1.002×103N∙sm2，ρ=998.2kgm3，v为流体流速，v=100由勃拉休斯公式：f=0.3164带入Re得到f=0.0290将f，v等条件带入式（4-1）得Δp在表4-1（1）中，通过FLUENT建立的湍流模型中，经过湍流方程迭代计算的压力差ΔP=463707Pa，计算结果与理论分析有较大差