【正文】 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)合圓管流動(dòng)的壓降公式、速度分布理論、伯努利公式對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證。Fluent 軟件可對(duì)定常不可壓縮流體在圓管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流體層流、紊流的兩種流動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證管內(nèi)流體速度及切應(yīng)力分布。利用直接數(shù)值模擬得到的結(jié)果，我們研究了圓管內(nèi)發(fā)生層流，與紊流的一些統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，通過(guò)與理論結(jié)果的比較，驗(yàn)證了我們的數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而 FLUENT 能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。FLUENT 軟件具有以下特點(diǎn)： FLUENT 軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元的梯度算法； 定常/非定常流動(dòng)模擬，而且新增快速非定常模擬功能； Fluent 前處理網(wǎng)格劃分FLUENT 軟件中的動(dòng)/變形網(wǎng)格技術(shù)主要解決邊界運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，用戶只需指定初始網(wǎng)格和運(yùn)動(dòng)壁面的邊界條件，余下的網(wǎng)格變化完全由解算器自動(dòng)生成。其局部網(wǎng)格重生式是 FLUENT 所獨(dú)有的，而且用途廣泛，可用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、變形較大問(wèn)題以及物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律事先不知道而完全由流動(dòng)所產(chǎn)生的力所決定的問(wèn)題； FLUENT 軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格、混合網(wǎng)格、動(dòng)/變形網(wǎng)格以及滑動(dòng)網(wǎng)格等。湍流模型包含 SpalartAllmaras 模型、 模型組、 模型組、雷諾應(yīng)力k??k??模型(RSM)組、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分離渦模擬(DES)和 V2F 模型 等。另外，F(xiàn)LUENT 特有動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡功能，確保全局高效并行計(jì)算； FLUENT 軟件提供了友好的用戶界面，并為用戶提供了二次開發(fā)接口（UDF） ； FLUENT 軟件采用 C/C++語(yǔ)言編寫，從而大大提高了對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的利用率。Fluent的軟件設(shè)計(jì)基于”CFD 計(jì)算機(jī)軟件群的概念”,針對(duì)每一種流動(dòng)的物理問(wèn)題的特點(diǎn)，采用適合于它的數(shù)值解法在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達(dá)到最佳。Gambit 屬于 FLUENT 軟件包的前處理部分軟件，用于網(wǎng)格的生成，它是具有超強(qiáng)組合建構(gòu)模型能力的專用 CFD 前置處理器。計(jì)算方法優(yōu)點(diǎn)：FLUENT 同傳統(tǒng)的 CFD 計(jì)算方法相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn) ① 穩(wěn)定性好，F(xiàn)LUENT 經(jīng)過(guò)大量算例考核，同實(shí)驗(yàn)符合較好； ② 適用范圍廣，F(xiàn)LUENT 含有多種傳熱燃燒模型及多相流模型，可應(yīng)用于從可壓到不可壓、從低速到高超音速、從單相流到多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒、氣固混合等幾乎所有與流體相關(guān)的領(lǐng)域； ③ 精度提高，可達(dá)二階精度。② 做 Blocking 因?yàn)榻孛鏋閳A形，故需做“O”型網(wǎng)格。因管流存在邊界層，故需對(duì)邊界進(jìn)行加密。 數(shù)值模擬階段① 弄清數(shù)值模擬的基本思想；理解數(shù)值模擬程序結(jié)構(gòu)，掌握數(shù)值模擬程序中的各個(gè)子程序的功能，調(diào)通程序；② 弄清數(shù)值模擬程序的輸入輸出數(shù)據(jù)流文件；設(shè)置流場(chǎng)的邊界條件；③ 讀入前處理階段得到的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件，利用該程序?qū)φ也ū谖闪鲌?chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算；④ 得到相關(guān)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)文件； 后處理階段利用 FLUENT 自帶的后處理功能進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理。④ 確定流體的材料物性；⑤ 確定邊界類型及其邊界條件；⑥ 條件計(jì)算控制參數(shù)；⑦ 流場(chǎng)初始化；⑧ 求解計(jì)算；⑨ 保存結(jié)果，進(jìn)行后處理等。l=20m10md?流體介質(zhì):水，其運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù) 。Outlet:壓強(qiáng)出口。 層流流動(dòng)的數(shù)值模擬當(dāng)水流以流速 ，從 Inlet 方向流入圓管，可計(jì)算出雷諾數(shù) ，1υ=故圓管內(nèi)流動(dòng)為層流。方程求解：對(duì)于細(xì)長(zhǎng)管流，F(xiàn)LUENT 建議選用雙精度求解器，流場(chǎng)計(jì)算采用 Simple算法，屬于壓強(qiáng)修正法的一種。Re10dv??假設(shè)水的粘性為常數(shù)（運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù) ） 、不可壓流體，圓管光滑，6210/s????則流動(dòng)的控制方程如下：（1）質(zhì)量守恒方程 （2()()0uvwtxyz???????5） （2）動(dòng)量守恒方程 （22())()()()()()[ ]uuvwuutxyzxyzp?????????????????6） （22())()()()()()[ ]vuvwvvtxyzxyzpy?????????????????7） （22()()()()()()()[ ]wuwvwwtxyzxyzp?????????????????8）（3）湍動(dòng)能方程： （2())()()[()][()][()] t tkktkkuvwtxyzxxyyGzz???????????????????9）（4）湍能耗散率方程： （221())()()[()][()][()] t tkkt kkuvwtxyzxxyyCGzz???????????????????????10）式中， 為密度， 、 、 是流速矢量在 x、y 和 z 方向的分量，p 為流體微元體上?uvw的壓強(qiáng)。k??3 在 Gambit 建立中模型 直圓管（1）首先建立三維圓管的幾何模型圖 31 三維圓管模型 3D tube model（2）劃分網(wǎng)格 mesh三維圓管的網(wǎng)格劃分圖圖 32 直圓管網(wǎng)格 The grid of tube （3）設(shè)置邊界類型操作：zones→specify Boundary Type，打開邊界類型設(shè)置對(duì)話框。 90 度彎管（1）建立 90 度彎管三維模型圖 33 三維 90 度彎管模型 The 3D tube model of 09（2）劃分網(wǎng)格 mesh圖 34 90 度彎管網(wǎng)格 The grid of elbow09（3）同上設(shè)置邊界類型4 在 FLUENT 中求解計(jì)算層流流動(dòng) FLUENT 的參數(shù)設(shè)置（1）解算器的設(shè)置結(jié)算器設(shè)置如表 41 所示表 41 Fluent 解算器參數(shù)的設(shè)置 The settings of Fluent parameter設(shè) 置 項(xiàng) 目 設(shè) 置 參 數(shù)空 間 三維(3D)時(shí) 間 穩(wěn)態(tài)(steady)解算方式 獨(dú)立的(Segregated)差分方程 隱式的(Implicit)速度方程 絕對(duì)坐標(biāo)(Absolute)控制方程 流動(dòng)方程(Flow) （2）材料屬性的設(shè)置類型：水。運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù) 。表 42 Fluent 中運(yùn)行條件的設(shè)置 The settings of Fluent operating conditions設(shè) 置 項(xiàng) 目 單位 邊界條件設(shè)置值工作壓力(operating pressure) Pa 101325參考?jí)毫ψ鴺?biāo)(Reference Pressure Location) m x=0,y=0,z=0（4）計(jì)算精度的設(shè)置計(jì)算精度設(shè)置如表 43 所示。（6）開始迭代設(shè)置迭代次數(shù)為 200，實(shí)際比這個(gè)更少，迭代收斂時(shí)會(huì)自動(dòng)停止。 直圓管層流計(jì)算結(jié)果及分析 殘差檢測(cè)曲線入口速度 v=。 （1） 入口截面的流速分布 入口截面流速分布如圖 42 所示。（2） 出口截面的流速分布 出口截面流速分布如圖 43 所示。分層更為嚴(yán)重，層流顯現(xiàn)的更為明顯，且趨于穩(wěn)定狀態(tài)。水流在圓管內(nèi)部的流速分層很明顯，靠近壁面處流速接近于零，有一很薄的邊界層，流速在邊界層內(nèi)很快上升，到最大流速；在圓管中央的一大片圓形區(qū)域內(nèi)，流速基本一致，達(dá)到最大，且中心流速最大，為 。以上圖像因只能看到沿 X 軸截面的流速分布，故下面討論從 Y 軸和 Z軸方向看圓管的整體流速分布。① y=0 截面流速分布整根圓管流速分布如圖 413 所示。圖 414 入口段速度分布 Velocity distribution of inlet出口段流速分布如圖 415 所示。圖 416 z=0 截面速度分布 Velocity distribution of z=0以上兩個(gè)截面流速分布圖的效果是一樣的，可以看出圓管水流入口段及之后的流速發(fā)展趨勢(shì)，而且顯示流速變化的規(guī)律更為明顯。進(jìn)口段的流動(dòng)是流速分布不斷變化的非均勻流動(dòng)，且邊界層的厚度在進(jìn)口段逐漸增加，之后的流動(dòng)是各個(gè)截面流速分布均相同的均勻流動(dòng)，由于為層流流動(dòng)，故流速分層現(xiàn)象很明顯。圖 417 壓強(qiáng)分布圖 Distribution of pressure 由上圖可以看出圓管內(nèi)部壓強(qiáng)分布從管口處向延伸方向逐漸減小，可知流速相應(yīng)增大，符合流速大，壓強(qiáng)小的流動(dòng)定律，也符合圓管流動(dòng)壓降的原理。 改變速度(1) v= z=0 截面流速分布整根圓管流速分布如圖 418 所示。圖 419 入口速度 v= Velocity distribution of inlet velocity v=由以上兩個(gè)截面流速分布圖可以看出，不同速度下流速分布大致相同，可以看出圓管水流入口段及之后的流速發(fā)展趨勢(shì)相同，此兩種速度也為層流流動(dòng)，故流速分層現(xiàn)象也很明顯。殘差監(jiān)視窗口為圖 420 殘差監(jiān)視 residual monitoring（2）z=0 截面流速分布整根圓管流速分布如圖 421 所示。二次流從外壁面向內(nèi)壁面移動(dòng)。（4）彎頭的阻力損失① 操作：Report→Surface Integrals...，打開面積分設(shè)置對(duì)話框。得到面積加權(quán)平均壓強(qiáng)為 。得到此面上的面積加權(quán)平均壓強(qiáng)為。 ? 兩種不同入流速度算例模擬結(jié)果 ⑴ v=① z=0 平面流速分布整根圓管流速分布如圖 423 所示。在 surfaces 項(xiàng)選擇 y=0，點(diǎn)擊pute。a 水頭損失 ==??????? b 彎頭的局部損失系數(shù) ?⑵ v=① z=0 平面流速分布整根圓管流速分布如圖 424 所示。由于二次流的存在，整個(gè)彎曲段呈現(xiàn)外壁面壓力大速度小，而內(nèi)壁面呈現(xiàn)壓力小速度大的現(xiàn)象。 圓管層流數(shù)值模擬結(jié)果的驗(yàn)證 入口速度 v=（1）入口端長(zhǎng)度沿 X 軸截取軸線，執(zhí)行 Plot→XY Plot，選擇 Y Axis Function 里的 Velocity 和Velocity Magnitude，選擇 Surfaces 里圓管的對(duì)稱軸 linex，可得到軸向流速分布散點(diǎn)圖，如圖 426 所示。??層流入口段長(zhǎng)度有經(jīng)驗(yàn)公式 可以算的，即[19]27 （41）??可算得入口段長(zhǎng)度約為 ，由上圖顯示效果可以看出，流速在離入口 到 之間，即入口段長(zhǎng)度約為 ～，符合理論計(jì)算結(jié)果。圖 428 軸向壓強(qiáng)分布圖 Axialdirection pressure distribution 圓管層流中的壓降 ，理論上存在下述公式[19] （43）428VLqpd????即壓降與流體的粘度、管道長(zhǎng)度、流體的流量成正比，在本模擬實(shí)驗(yàn)中，由于流體的粘度、流體的流量不變，可認(rèn)為壓降與長(zhǎng)度成正比，即 與 成正比。p?L（4）進(jìn)行伯努利方程的驗(yàn)證直圓管局部阻力損失的理論計(jì)算公式為：