fluent算例 三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析

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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，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ICEMCFD中建

2、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：①质量守恒方程：(

3、0-1)②动量守恒方程：(0-2)(0-3)(0-4)③湍动能方程：(0-5)④湍能耗散率方程：(0-6)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4.1FLUENT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。①Viscous设置雷诺数，故圆管内流动为紊流，Viscous设置为RealizableK-epsilon模型，其余默认。②Boundary设置I

4、nlet设置为速度入口，为，Turbulence设置为IntensityandHydraulicDiameter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）。③Solution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

5、在Surface里选择inlet及outlet（1）Velocityofinlet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）Velocityofoutlet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。5.1.2Y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

6、对称的效果。（1）Velocityofy-0整根圆管：（2）Velocityofz-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，

7、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Plot→XYPlot，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，

8、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(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