【正文】 ⑸流體以一定的速度在半圓形截面管中流動時會產(chǎn)生二次流，流動速度較小時，二次流分居上下兩側(cè)呈對稱分布，漩渦較明顯；流動速度越大時，二次流越向兩側(cè)偏離，漩渦越小越不明顯。⑶流體流速大小與管子所受壓力成正比。⑵流體入口速度的大小影響管子中流體的速度分布，從 6 個不用的截面速度等值線圖可以得出：當(dāng)速度很小時，速度梯度分布比較均勻，幾乎呈圓形。結(jié)論本文采用計算流體力學(xué)的相關(guān)的知識，用 Solidworks 軟件建立半圓截面螺旋管的三維模型，導(dǎo)入到 Gambit 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)定，最后導(dǎo)入到Fluent 軟件中進(jìn)行了對半圓截面螺旋管內(nèi)層流流場的數(shù)值模擬。隨著速度的逐漸增加，最大壓力的位置也逐漸向螺旋管外側(cè)偏移，這是由于離心力的作用使螺旋管外側(cè)的速度梯度增大而造成的。隨著速度的增加，最大速度的位置逐漸向螺旋管的外側(cè)移動，這是因為離心力的作用使靠近螺旋管外側(cè)的一側(cè)速度梯度增大造成的。選擇Plot/XY Plot選項，出現(xiàn) Solution XY Plot對話框，在Y Axis Function一欄中選擇velocity和x velocity，在Surfaces一欄中選中所截的線段。流體分別在 X、Y、Z 軸方向截面速度分布圖如下圖所示（以 例） 。壁面速度為 0，速度由中間向壁面均勻分布，逐層遞減。 圖 迭代曲線 殘差分析 圖 速度為 圖 速度為 圖 速度為 由殘差圖可以看出：速度越大，迭代次數(shù)越多，收斂也越慢。⑽分析待收斂之后對管道進(jìn)行截面，進(jìn)而分析任意截面處的速度，壓力等分布情況。啟動迭代計算。用進(jìn)口的流動初始條件初始化整個流場的解。將出口 Outlet 設(shè)置為 Outflow（出口邊界條件） ，參數(shù)使用默認(rèn)值。為此，選擇 Define/Materials 命令，彈出 Materials 對話框，單擊 Database 按鈕，打開 FLUENT 材料數(shù)據(jù)庫，在新對話框的 Fluid Materials 下拉列表中選擇 waterliquid（h2o1） ，單擊 Copy 按鈕，單擊 Close 按鈕關(guān)閉Materials 對話框。選擇 Grid/Check 命令，F(xiàn)LUENT 將對計算網(wǎng)格的不同參數(shù)進(jìn)行檢測并在控制臺窗口顯示相應(yīng)信息，請?zhí)貏e注意最小體積參數(shù)，確保該值為正數(shù) [13]⑷ 網(wǎng)格按比例縮放在 GAMBIT 中，生成網(wǎng)格使用的單位是 mm，在 FLUENT 中默認(rèn)單位是 m，需要縮放。⑶ 檢查網(wǎng)格將網(wǎng)格導(dǎo)入 FLUENT 后,必須對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢查,以便確定是否可直接用于 CFD 求解。第四章 數(shù)值模擬與結(jié)果分析 利用 FLUENT3D 求解器對半圓形截面螺旋管進(jìn)行求解求解過程如下：⑴運行合適的解算器：2D、3D、2DDP、3DDP選擇 3D 空間三維立體計算求解器。 定義邊界條件待完成了網(wǎng)格劃分，接下來就是定義初始邊界條件。操作方法：選中所要畫的體部分，設(shè)置網(wǎng)格大小，點擊應(yīng)用就完成了。此道理就像壘高樓首先要打好地基一樣 [12]。 ②然后針對這個網(wǎng)格進(jìn)行 smooth 處理。⑷ 調(diào)整面網(wǎng)格質(zhì)量調(diào)整的目的就是在創(chuàng)建一個良好的面網(wǎng)格劃分的前提下為劃分體網(wǎng)格做鋪墊。故在選擇類型時根據(jù)半圓形截面管形狀認(rèn)真分析，試驗和計算。在定義面網(wǎng)格大小處（spacing）輸入 ，表示面網(wǎng)格大小為 。在 Gambit 中，我們可以分別針對邊界層、邊、面、體和組劃分網(wǎng)格。具體過程如下：⑴ 導(dǎo)入文件RcHr將用 solidworks 建立的模型導(dǎo)入 gambit 中。 圖 半圓形截面管創(chuàng)建模型 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格的劃分是進(jìn)行整個數(shù)值模擬環(huán)節(jié)中的一個重要部分。4 退出 3D 草圖，點擊 中的基準(zhǔn)面，選擇螺旋線和端點，建立面。根據(jù)給定條件，可求解當(dāng)量直徑 De，De= = = ==1???0142?由 Re= 可得，??vDeV=，Re= = =2022 層流ve013..2892? 半圓形截面管建模過程用 Solidworks 建立半圓形截面管模型所用到的基本特征：草圖特征、螺旋線、3D 草圖特征、基本面的建立、曲面、掃描。(3) 流體為常物性，即密度，粘度等參數(shù)不隨溫度和時間變化而變化。 Fluent軟件應(yīng)用前景Fluent 軟件在國內(nèi)各個領(lǐng)域已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用，尤其在航天方面，與比較通用的 StarCD 等軟件可以媲美。當(dāng)你計劃一個 CFD 工程時，請利用提供給 FLUENT 使用者的技術(shù)支持 [10]。 Fluent 程序的適用對象 FLUENT 廣泛用于航空、汽車、透平機械、水利、電子、發(fā)電、建筑設(shè)計、材料加工設(shè)備、環(huán)境保護等領(lǐng)域，其主要的模擬能力包括：? 用非結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格模擬 2D 或者 3D 流場，它所使用的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格主要有三角形/五邊形、四邊形/五邊形，或者混合網(wǎng)格，其中混合網(wǎng)格有棱柱形和金字塔形。 （4）TGRID——FLUENT 用于從表面網(wǎng)格生成空間網(wǎng)格的軟件。高級用戶可以通過寫菜單宏及菜單函數(shù)自定義及優(yōu)化界面 [7]。因此，動態(tài)內(nèi)存分配，高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，靈活的解控制都是可能的。與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，這一特點很明顯地減少了產(chǎn)生“好”網(wǎng)格所需要的時間。它提供了完全的網(wǎng)格靈活性，你可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，例如二維三角形或四邊形網(wǎng)格、三維四面體/六面體/金字塔形網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動。一旦出現(xiàn)負(fù)體積，可以對出現(xiàn)負(fù)體積的地方重新劃分，比如重新布置網(wǎng)格點，重新分塊等。網(wǎng)格質(zhì)量的特征是節(jié)點的分布，光滑，和偏斜?？梢杂糜谠煨凸ぷ鞯?CAD 軟件包括 IDEAS、Pro/E、SolidWorks、Solidedge 等。FLUENT 軟件采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與適應(yīng)性網(wǎng)格相結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。第三行的各個圖標(biāo)按鈕的作用是控制顯示屬性。第二到四個圖標(biāo)的功能與之類似。通過單擊該區(qū)域內(nèi)的按鈕，可對顯示區(qū)內(nèi)坐標(biāo)系標(biāo)識、顏色、模型的各個顯示屬性等進(jìn)行控制。其中，Transcript 窗口用于顯示操作信息，包括完成過程中的一些重要信息和操作失敗的原因。單擊命令組中的某個命令按鈕時，會出現(xiàn)相應(yīng)的二級命令組。 Mesh 命令組包括對邊界、線、面、體和組的網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格聯(lián)結(jié)、信息修改等功能；其中，第一層次的命令組為 Operation+包含 4 個二級命令組，依次為 Geometry（幾何操作） ，Mesh(網(wǎng)格劃分),Zones(區(qū)域指定)和 Tools(工具)。EDIT 菜單提供的操作包括修改系統(tǒng)設(shè)置、取消上一步操作、重復(fù)剛?cè)∠牟僮鞯?。如果需要，該顯示區(qū)可以拆分成 4 個小區(qū)，這樣便于顯示和操作。GAMBIT 中的 TGRID 方法可以在極其復(fù)雜的幾何區(qū)域中可以劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)的完全非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，GAMBIT 網(wǎng)格劃分方法的選擇完全是智能化的，當(dāng)你選擇一個幾何區(qū)域后 GAMBIT 會自動選擇最合適的網(wǎng)格劃分算法，是網(wǎng)格劃分過程變的極為容易。GAMBIT 軟件是面向 CFD 的專業(yè)前處理器軟件，它包含全面的幾何建模能力,既可以在 GAMBIT 內(nèi)直接建立點、線、面、體幾何，也可以從主流的 CAD/CAE 系統(tǒng)如PRO/E、UGII、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN 導(dǎo)入幾何和網(wǎng)格，GAMBIT 強大的布爾運算能力為建立復(fù)雜的幾何模型提供的極大的方便。如采用自適應(yīng)網(wǎng)格后可以有效地分析汽車后視鏡附近的氣流分離現(xiàn)象，汽車尾部的旋渦區(qū)域及發(fā)動機水套的溫度場等復(fù)雜問題。GAMBIT 能夠針對極其復(fù)雜的幾何外形生成三維四面體、六面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及混合網(wǎng)格，且有數(shù)十種網(wǎng)格生成方法，生成網(wǎng)格過程又具有很強的自動化能力，因而大大減少了工程師的工作量。 GAMBIT 軟件介紹 GAMBIT 功能及簡介 GAMBIT 是專用簽處理軟件包，用來為 CFD 模擬生成網(wǎng)格模型。⑺自頂向下的設(shè)計方法。在復(fù)雜的產(chǎn)品中迅速進(jìn)行管筒、管道、電力電纜和纜束系統(tǒng)的 3D 參數(shù)建模。⑹SolidWorks Routing 介紹。SimulationXpress 包是 SolidWorks 的內(nèi)置部分，其他所有的 Simulation 包都是插件式的。⑷SolidWorks 無縫集成插件之 CosmosMotion 機械仿真：機械仿真是對裝配體的運動進(jìn)行仿真模擬并生成數(shù)據(jù)的設(shè)計軟件，我們可以對受力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，跟蹤運動過程當(dāng)中點的運動形成運動軌跡，模擬掉落實驗，3D 碰撞接觸狀態(tài)動力學(xué)仿真與分析，耦合運動模擬等多種情況的分析，為設(shè)計人員提供直觀簡單的數(shù)據(jù)以供分析，提高設(shè)計效率。SoliWorks2022 是目前 SolidWorks 的最新的版本，使用 SolidWorks進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，設(shè)計人員不僅能夠體會到 SolidWorks 強大的建模能力，虛擬裝配能力以及靈活的工程圖操作，而且可以感受利用 SoliWorks 設(shè)計所帶來的輕松和效率。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、高級抽殼、特征陣列以及打孔等操作來實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計。 第二章 Solidworks、Gambit 及 Fluent 軟件介紹 SOLIDWORKS 軟件介紹 SolidWorks 軟件概述SolidWorks 是在 Windows 平臺下原創(chuàng)的三維機械設(shè)計軟件。從設(shè)計、使用的角度而言，螺旋半圓管夾套是目前化工生產(chǎn)中較為合理、先進(jìn)的夾套結(jié)構(gòu)形式。 提高釜體承載能力，降低設(shè)備材料費用。流量較大時常采用標(biāo)準(zhǔn)半圓管 [4]。為滿足一定的設(shè)計條件，節(jié)約貴重鋼材，提高傳熱效率，在反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，現(xiàn)在越來越多地采用了螺旋半圓管夾套結(jié)構(gòu)形式（半圓管焊接在容器的外壁上） [3]。圖 為全流通半圓管夾套。為了提高傳熱效率，避免夾套結(jié)構(gòu)所造成的水流短路現(xiàn)象，新型 70 式 PVC 聚合釜采用全流通半圓管夾套的結(jié)構(gòu)形式?；ぴO(shè)備中的反應(yīng)釜就是一個重要的應(yīng)用。而且它在許多的實際應(yīng)用方面還有其他的特殊作用。這是因為螺旋管可以在管道內(nèi)部形成與管的軸向垂直的二次流動，這種二次流動與軸向主流復(fù)合成螺旋式的前進(jìn)運動，這樣對于流體的層流傳質(zhì)，它不僅僅依靠流體的徑向擴散,還有徑向二次流的作用，相當(dāng)于將邊界層進(jìn)行了破壞，更新傳質(zhì)表面，增強了流體在層流運動時的混合，提高傳質(zhì)效果。盡管螺旋管的流體阻力增大，壓降增大，但是其傳熱效率的提高導(dǎo)致能量的節(jié)約要高于因阻力增大而消耗的能量。而半圓形截面螺旋管，更是在人們的生產(chǎn)和生活中已經(jīng)取得的越來越廣泛的應(yīng)用。首先就來討論研究螺旋管的實用性能。 laminar flow。因此，選擇合理的入口速度，可以使流體在流場中達(dá)到優(yōu)化配置。由此，我們可以增大管道雷諾數(shù)從而達(dá)到改善流場流動的目的。本文首先概述了半圓形截面管的應(yīng)用背景及分析意義，對 solidworks、gambit 及 fluent 進(jìn)行了系統(tǒng)的介 紹,而后進(jìn)行了數(shù)值模擬及分析。它們 在生產(chǎn)和生活以及各行各業(yè)都具有廣泛的應(yīng)用。在流動過程中壁面處流體與管子中心處流體匯合會形成渦旋， 產(chǎn)生二次流動，相當(dāng)于將邊界層進(jìn)行了破壞，更新了傳質(zhì)表面，增強了流體在層流運動時的混合，提高傳質(zhì)效果，從而起到強化傳熱的目的。從用于日常生活中輸水管到具有嚴(yán)格使用條件的工業(yè)用管道等等，用途廣泛。六月整理資料，編寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯 。即用 Solidworks 軟件建立半圓形截面螺旋管的模型，導(dǎo)入到 Gambit 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分并設(shè)定邊界條件，再導(dǎo)入Fluent 軟件中進(jìn)行運行，分析雷諾數(shù)、壓力、二次流等因素對流場的影響，最后整理資料，編寫畢業(yè)論文。因此，螺旋管在許多行業(yè)得到普遍應(yīng)用而倍受青睞。畢業(yè)論文開題報告論文題目：管內(nèi)層流流場的數(shù)值模擬專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 日 期： 09 年 5 月 16 日 1．選題的目的、意義螺旋管優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特性決定了它在動力、化工、石油及核工業(yè)等領(lǐng)域日益得到廣泛應(yīng)用。半圓形截面螺旋管作為較常見的管道之一,出現(xiàn)在多種工程實際中，本文主要研究半圓形截面螺旋管內(nèi)層流流場的數(shù)值模擬分析，從而繼續(xù)研究半圓形截面螺旋管在新領(lǐng)域的作用。3．完成期限和主要措施三月查閱中外文期刊資料，整理文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)計算流體力學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識，翻譯一篇外文文獻(xiàn)。 積極查閱相關(guān)資料，認(rèn)真學(xué)習(xí)軟件，虛心向老師請教，和同學(xué)研究探討。我們平常遇到的最多的是普通圓形截面管，它的結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良等特性使它具有廣泛的應(yīng)用性。同時，螺旋管也會改進(jìn)管外流型，即殼層流動的流型，增加管外液體的徑向混合，減少殼程的溝流和死區(qū)，同時由于接近錯流，纖維面不斷更新，殼程的傳質(zhì)系數(shù)會進(jìn)一步增大。目前所研究的問題主要是基于實驗分析與數(shù)值模擬兩種。通過在 solidworks 中建模， 導(dǎo)入 gambit 中劃分網(wǎng)格定義邊界條件，在 fluent 中設(shè)定初始條件進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步分析在層流條件下流體在半圓形截面管中換熱的影響因素。同時，流體入口速度的大小又影響整個管子中流體的二次流的流型。數(shù)值模擬及分析的結(jié)果對工業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，可以更好的指導(dǎo)應(yīng)用進(jìn)行實踐工作。 threedimensional目錄第一章 前言 ...................................................................................................1 背景意義 ...............................................