FLUENT算例 (3)三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析

1、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l二2000mm，直径d二100mm。流体介质：水，其运动粘度系数V=lxl0rm2/s。Inlet：流速入口，u二0.005m/s，u二0.1m/sl2Outlet:压强出口Wai1：光滑壁面，无滑移2在ICEMCF

2、D中建立模型2.1首先建立三维圆管的几何模型Geometry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|!3DEU2Bf5lC6?i|L85-05:55760(19.661L9-D.E:331DD5i031|LSB-b1:115511riuTSIX向.-:rnT:iT|i-h2.4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ud当以水流以流速。2-0.1m/s，从丽方向流入圆管，可计算出雷诺数Re=10000故

3、圆管内流动为紊流。假设水的粘性为常数（运动粘度系数v=lx10-6m2/s）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：质量守恒方程空+血*他+如=0QtQxQy(0-1)动量守恒方程：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湍动能方程：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广kk式中，p为密度，u、V、w是流速矢量在X

5、、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-8模型，SIMPLEC算法。4在FLUENT中求解计算紊流流动4.1FLUENT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。(0-5)(0-6)Viscous设置ud雷诺数Re=10000,故圆管内流动为紊流,Viscous设置为RealizableK-epsilon模型，其余默认。vBoundary设置Inlet设置为速度入口，为u20.1m/s，Turbulence设置为IntensityandHydraulicDiameter方法，即Outlet设置为自由出口Outflow，如

6、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，Realizablek-模型，SIMPLEC算法。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le+tH)15*2501e*O2-1Z4Iterationsle+QB1-Ifl-HH-epsilnnResdualsconL-u1/K-veiocity/-velocityz-elocity5.1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）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乱灶礎2.744-022135&-021J7EO26J85e-0OJXfe-HE可见，入口处流速分布不明显，基乎都等于入口流速U2二.lm/s，只是外层靠近壁面处流速几乎为零。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。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）Velocityofy-0整根圆管：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整根圆管：I3?e-cn133643112364311.1QS4311U3e-019j99e4I2SSOe-02S22e412?536-4226J85e-26.166-4225.48e-G2i.796-4321.1164123.4122.74222j3ft-fl21JM26J85e-O3OJUe-HE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

10、且显示流速变化的规律更为明显。（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砂胫A1Je-0234卸0274e-021.S7*-026眄4旳O.Wa+DQ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=Iny+C的规律，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PlotXYPlot,选择YAxisFunction里的Velocity和VelocityMagnitude选择Surfaces里圆管的对称轴line-x，可得到轴向流速分布

12、散点图。00.6O.BVelocityMagnitude(m/s)140#-01I.SOs-Ol1.20S-011育i1Pi105e1i00e-0lPosition(m)linm-x由上图可以看出，在圆管的轴上，进口段流速分布变化较大，从进口流逆二0lm/s急剧上升到最2大流速u二0.1369m/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max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Lq（25:40）d（0-7）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

13、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。5.2显示压强分布图在Contours里选取Pressure和Staticpressure,在Surfaces里选择int-solid,即管道内部流体整体。Pressureofint-solid-top：3.78&

14、-CI15旌程60S切H5.79e-O1-ssee-fli-122e+co-1JS5e-HB-219640)2jS1S03即点-ie&40Q-LiOe-KO-i.72e+DQ-5Jafe-HB-53&4O)-5J6-KO-6De-K0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PlotXYPlot,选择YAxisFunction里的Pressure和PressureMagnitude,选择Surfaces里圆管的对称轴line-x,可得到轴向压强分布散点图。低，是正比

15、关系。inlet0.78277661int_solid-155.7078outlet-0.78277661wall0Net3.3306691e-165.4.2入口出口流速积分IntegralVelocityMagnitude(m/s)(m2)inlet0.00076724892outlet0.00077659753Net0.00154384645.4.3入口出口压强积分IntegralStaticPressure(pascal)(m2)inlet0.0011779853outlet-0.0469953725.4.1系统总流量Net-0.045817386MassFlowRate(kg/s)6总

16、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RealizableK-epsilon模型，还有其

17、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

18、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