【正文】 于 70 年代初期，雖然近二十年來計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，直接數(shù)值模擬的網(wǎng)格數(shù)已達(dá)到 10243 的規(guī)模，但現(xiàn)在的直接數(shù)值模擬還只能計(jì)算中等雷諾數(shù)以下的流動(dòng)。由于要模擬最小尺度的渦，計(jì)算網(wǎng)格的分辨率要足夠高，而計(jì)算區(qū)域的尺寸應(yīng)足以容納最大尺度的渦，整個(gè)三維計(jì)算的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)是 Re 的量級(jí) 。 直接數(shù)值模擬有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是，它并不是完美無缺的。對(duì)于湍流的直接數(shù)值模擬，數(shù)值方法主要有有限單元法，有限體積法，高階有限差分法和譜方法等 。由于 NS 方程組是封閉的，用不著任何湍流模型，因此直接數(shù)值模擬不包含任何地認(rèn)為假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。與大渦??4模擬以及模式理論相比較，直接數(shù)值模擬的優(yōu)點(diǎn)在于它的出發(fā)方程是完全精確的。流體流動(dòng)的研究不僅具有學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流加熱和冷卻設(shè)備的設(shè)計(jì)者來說也具有相當(dāng)重要的實(shí)際意義。弄清三維圓管內(nèi)部不同流態(tài)下的流動(dòng)特性對(duì)分析圓管的傳熱傳質(zhì)特性和輸運(yùn)特性有重要的意義。??2對(duì)水流進(jìn)行數(shù)值模擬的一個(gè)有效的工具是 fluent 將其應(yīng)用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以方便地計(jì)算出各項(xiàng)水流參數(shù)的全場(chǎng)分布，具有計(jì)算快速，簡(jiǎn)捷，數(shù)值精度較高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí) fluent 具有從不可壓到可壓，層流到紊流等很大范圍的模擬能力，具有很強(qiáng)的實(shí)用性 。 Laminar flow。 Smooth pipe。結(jié)果證明所得到的數(shù)值模擬結(jié)果與圓管層流、紊流的理論數(shù)據(jù)相符合。選用液體流動(dòng)的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及 方k??程 ，分別對(duì)層流和紊流采用不同的 3 種入口流速來對(duì)三維圓管內(nèi)部流體進(jìn)行模擬分??1析，并在 FLUENT 軟件中以直觀的方式表示出了層流和紊流各種不同速度在圓管中的流動(dòng)狀況，分析討論其不同流速下的規(guī)律、特點(diǎn)。本文用 Fluent 軟件來模擬研究三維圓管的層流和紊流流動(dòng)狀況，主要對(duì)流速分布和壓強(qiáng)分布作出分析。畢 業(yè) 論 文三 維 圓 管 流 動(dòng) 狀 況 的 數(shù) 值模 擬 分 析摘 要在工程和生活中，圓管內(nèi)的流動(dòng)是最常見也是最簡(jiǎn)單的一種流動(dòng)，圓管流動(dòng)有層流和紊流兩種流動(dòng)狀況。雷諾數(shù)是判別流體流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則數(shù)。首先在 Gambit 里建立物理模型，分別建立直圓管與 90 度彎圓管的物理模型，并劃分網(wǎng)格。并通過幾種理論方式計(jì)算驗(yàn)證所得到的數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞 FLUENT；光滑圓管；湍流；層流；雷諾數(shù)；數(shù)值模擬Title The numerical simulation and analysis of the flow in the 3D round tubeAbstract:In engineering and life, circular pipe flow is the most mon and the simplest flow, and it contains two flow conditionsaminar and turbulent. Reynolds number is used to distinguish the fluid state criterion. This paper is to simulate study of threedimensional pipe laminar and turbulent flow by Fluent software, which mainly makes analysis on the velocity distribution and the pressure distribution . First, establish physical model in the Gambit, respectively, set straight circular pipe and 90 degree bend pipe physical model, and then, mesh. Selecting liquid flow equation of mass conservation, momentum conservation equation and energy conservation equation of laminar flow and turbulent flow, we can, respectively, use 3 different entrance velocity to make simulation analysis of 3D pipe internal fluid. In Fluent software , this paper expresses the different velocity of laminar and turbulent flow in pipe flow condition in an intuitive way, discussing pattern and characteristics under different flow, and verifies the accuracy of the numerical results through several theoretical method.Results show that the numerical results are Conformed to the theory datas of Laminar and turbulent flow . Keywords: Fluent。 Turbulent flow。 Reynolds number；Numerical simulation 目 錄1 緒論 ...................................................................1 課題提出的意義 ......................................................1 直接數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介 ................................................1 主要研究?jī)?nèi)容 ........................................................22 直接數(shù)值模擬方法 .......................................................3 FLUENT 簡(jiǎn)介 .........................................................3 FLUENT 的計(jì)算過程 ...................................................5 控制方程 ............................................................63 在 GAMBIT 建立中模型 ....................................................9 直圓管 ..............................................................9 90 度彎管 ..........................................................104 在 FLUENT 中求解計(jì)算層流流動(dòng) ...........................................11 FLUENT 的參數(shù)設(shè)置 ..................................................11 直圓管層流計(jì)算結(jié)果及分析 ...........................................12 90 度彎管層流計(jì)算結(jié)果及分析 ........................................18 圓管層流數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證 .........................................225 在 FLUENT 中求解計(jì)算紊流流動(dòng) ...........................................25 FLUENT 參數(shù)設(shè)置 ....................................................26 直圓管紊流計(jì)算結(jié)果及分析 ...........................................26 90 度彎管紊流計(jì)算結(jié)果及分析 ........................................33 圓管湍流數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證 ...........................................356 總結(jié)與展望 ............................................................38 總結(jié) ...............................................................38 展望 ...............................................................38參考文獻(xiàn) .................................................................39致 謝 ...................................................................411 緒論 課題提出的意義對(duì)實(shí)際工程中大量存在的邊界形狀復(fù)雜的區(qū)段內(nèi)的流動(dòng)，鑒于其復(fù)雜性和測(cè)量的困難性，實(shí)驗(yàn)往往只能給出總流的參數(shù)，卻無法給粗區(qū)段內(nèi)詳細(xì)的流場(chǎng)信息，而數(shù)值模擬能夠給出相關(guān)流場(chǎng)的具體信息 。??3本課題研究用 Gambit 軟件來進(jìn)行模型的設(shè)置，F(xiàn)LUENT 軟件來進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究三維圓管內(nèi)層流和紊流流動(dòng)，在此基礎(chǔ)上分析三維圓管內(nèi)層流特性和紊流特性，對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的流速分布和壓強(qiáng)分布可視化后處理，并結(jié)合工程流體力學(xué)進(jìn)行理論分析和論證。另外，通過計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的比較，既可以檢驗(yàn)計(jì)算的正確性，又可以對(duì)實(shí)驗(yàn)起到一定的指導(dǎo)作用。 直接數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介直接數(shù)值模擬指的是不用任何的模型，直接求解完整的、三維非定常 NaiverStokes 方程組 ，計(jì)算流動(dòng)中所有瞬時(shí)流動(dòng)量在三維流場(chǎng)中的時(shí)間演化過程。在一般情況下，湍流耗散尺度的量級(jí)比分子運(yùn)動(dòng)尺度的量級(jí)要大得多，因此連續(xù)介質(zhì)假設(shè)仍然成立，湍流場(chǎng)的瞬時(shí)流場(chǎng)服從 NS 方程組。此外，直接數(shù)值模擬能提供每一瞬時(shí)三維流場(chǎng)的完整的流動(dòng)信息，這是迄今為止用實(shí)驗(yàn)方法很難達(dá)到的。譜方法是一種高精度的數(shù)值方法，它廣泛運(yùn)用于湍流及流動(dòng)轉(zhuǎn)??7捩的直接數(shù)值模擬之中，通過將微分方程向譜空間投影，可以使原來的微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，從而簡(jiǎn)化求解過程。直接數(shù)值模擬的最大的缺點(diǎn)就是計(jì)算量大。??5因此，受目前計(jì)算機(jī)發(fā)展水平的限制，直接數(shù)值模擬還只能用于低雷諾數(shù)流動(dòng)的計(jì)算。由于實(shí)際工程問題所涉及的雷諾數(shù)都相當(dāng)高，因此直接數(shù)值模擬還很難運(yùn)用到工程計(jì)算中。 主要研究?jī)?nèi)容本文研究用 CFD 軟件之 FLUENT 軟件來數(shù)值模擬仿真研究三維圓管內(nèi)層流和紊流流動(dòng)，在此基礎(chǔ)上分析三維圓管