计算流体力学大作业

Case 1.二维方腔驱动流

问题描述

如图所示，特征长度为方腔边长，特征速度为u。上边界以已知速度u移动，其它边界为静壁面。试求在Re=100、1000、10000、100000时，空腔内流体的流动状态，比较不同Re流动特征的差异。一．Re=100

在一个正方形的二维空腔中充满等密度的空气，上边界以速度u移动，由Re=ud/ν,又ν=1.789×10-5m2/s，方腔每边长为l=0.1m,可求得速度u=0.01466m/s。其它边界为静壁面。同时带动方腔内流体流动。速度矢量图

总压等值线图

水平中心线（y=0）上竖直速度分量(v)分布V-x

竖直中心线（x=0）上水平速度分量（u）分布U-y

不同Re方腔内流函数的分布情况

Re=1000

Re=10000

Re=100000

不同Re方腔内总压分布情况

Re=1000

Re=10000

Re=100000

方腔驱动流是数值计算中比较简单，具有验证性的一种流动情况，受到很多研究者的关注。本文通过不同雷诺数观察方腔流动，所得结论如下：

（1）当雷诺数较小时，腔中涡旋位置贴近腔体上壁面中部，随着雷诺数Re的增加，涡旋位置逐渐向下方靠近。

（2）随着雷诺数的增加，涡旋的位置逐渐靠近腔体中心。

（3）方腔壁面上的速度大于其他地方的速度。

Case2.圆管的沿程阻力

1.问题描述

如图，常温下，水充满长度l的一段圆管。圆管进口存在平均速度u，壁面的当量粗糙高度为0.15mm。试求在不同雷诺数下，计算该圆管的沿程阻力系数λ，分析比较Re与λ 的关系。

出口截面速度分布如下

可见，出口截面流速分布较为明显，呈同心圆分布，内层流速偏大，外层靠近壁面处流速几乎为0，分层更为严重，边界层很薄。

Y=0截面速度分布图

可以看出圆管水流湍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。

轴线压降

圆管湍流中的压降，除了入口段压强分布因流速急剧上升而下降稍快外，管道后端速度呈充分发展状态，压降呈线性，即△p随L 的增加而降低。

Case3.三维绕流问题

1.问题描述

地面有一矩形障碍物，空气以一定速度正面流向障碍物，非定常，湍流流动，Re＞105，Re取107，由Re=ud/ν,求得速度为7.3m/s。

1.压力分布云图

2.对称面上的速度分布云图

3.速度矢量图

4.y=2处压力分布云图

5.y=2处速度分布云图

Case4.湿蒸汽在拉瓦尔喷管中的凝结

1.问题描述

此模型对拉瓦尔收敛-扩张喷管中蒸汽凝结问题进行考虑。示意图如图1所示。喷管几何形式为二维的，喷管喉部高度为1cm。

流体在进入喷管时为干燥蒸汽，由于流动在喉部的加速，快速凝结过程就会出现。蒸汽首先过冷而聚集，形成气液两相形式的蒸汽。

1.喷管主要参数分布云图

压力云图

静温云图

混合相密度分布云图

液滴形成速率云图

喷管轴向液滴数目和液滴成核率分布曲线

结论与分析

起初过热蒸汽随着Laval 喷管流通面积的逐渐减小，气体膨胀冷凝，温度和压力逐渐减低，过冷度起伏较小，当在距入口0.08m处，过冷度上升到一定值，液滴开始缓慢生长，但是液滴平均半径变化并不显著，这是由于此时液滴还未达到临界半径，湿蒸汽中还未产生凝结核，液滴不能进一步凝结生长。而当过冷度进一步增大到最大值时，此时蒸汽处于Wilson 点( 热力学不平衡状态极点) ，蒸汽开始凝结，此时有大量的凝结核急剧凝结产生，液滴生长率也明显上升，促使蒸汽分子在凝结核上大量凝结并生长，进而液滴数量和半径也逐渐增加。但是，随着凝结过程的进行，大量的凝结潜热被释放到周围的蒸汽中，流动逐渐恢复热力平衡状态，此时液滴数目基本保持不变，而蒸汽分子继续在已有的液滴上凝聚，导致液滴半径进一步增大。