FLUENT算例 (3)三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析

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2000mm l =，直径100mm d =。 流体介质：水，其运动粘度系数6

2

110m /s ν-=⨯。 Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口

Wall ：光滑壁面，无滑移

2 在ICEM CFD 中建立模型

2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry

2.2 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20.1m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数10000υd

Re ν

==，故圆管内流动为紊流。

假设水的粘性为常数（运动粘度系数62

110m /s ν-=⨯）、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：

()()()0u v w t x y z

ρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ (0-1)

②动量守恒方程：

2()()()()()()()()()()[]u uu uv uw u u u

t x y z x x y y z z u u v u w p x y z x

ρρρρμμμρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂+----

∂∂∂∂ (0-2)

2

()()()()()()()()()()[]v vu vv vw v v v t x y z x x y y z z u v v v w p

x y z y

ρρρρμμμρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂+-

---∂∂∂∂ (0-3)

2

()()()()()()()()()()[]w wu wv ww w w w t x y z x x y y z z u w v w w p

x y z z

ρρρρμμμρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂+-

---∂∂∂∂ (0-4)

③湍动能方程：

()()()()[())][())][())]t t k k t k k k ku kv kw k k t x y z x x y y

k G z z

μμρρρρμμσσμμρεσ∂∂∂∂∂∂∂∂+++=+++∂∂∂∂∂∂∂∂∂

∂+

++-∂∂ (0-5)

④湍能耗散率方程：

212()()()()[())][())][())]t t k k t k k u v w t x y z x x y y C G C z z k k

εεμμρερερερεεεμμσσμεεεμρσ∂∂∂∂∂∂∂

∂+++=+++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++-∂∂ (0-6)

式中，ρ为密度，u 、ν、w 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ε-k 模型，SIMPLEC 算法。

4 在FLUENT 中求解计算紊流流动

4.1 FLUENT 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10000υd

Re ν

=

=，

故圆管内流动为紊流，Viscous 设置为Realizable K-epsilon 模型，其余默认。

②Boundary 设置

Inlet 设置为速度入口，为20.1m /s υ=，Turbulence 设置为Intensity and Hydraulic Diameter 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 ε-k 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

分布在Surface里选择inlet及outlet

（1）Velocity of inlet

可见，入口处流速分布不明显，基乎都等于入口流速

20.1m/s

υ=，只是外层靠近壁面处流速几乎为

零。

（2）Velocity of outlet

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。

5.1.2 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）Velocity of y-0

整根圆管：

（2）Velocity of z-0

整根圆管：