三维圆管流动状况的数值模拟分析

三维圆管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层流和紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。

1 物理模型

l?2000mmd?100mm。三维圆管长，直径

?62?/s10m?1?流体介质：水，其运动粘度系数。??s?0.1m/s?0.005m/：流速入口，Inlet，21 Outlet：压强出口：光滑壁面，无滑移Wall

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

Blocking

做2.2

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

层流流动3.1

υd?s?0.005m/?Re?500，故圆管内方向流入圆管，可计算出雷诺数当水流以流速，从Inlet1ν流动为层流。?62?/s10m?1?、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程假设水的粘性为常

数（运动粘度系数）如下：①质量守恒方程：????w)??((?v?()u)????0 (1-1)

z??y?t?x②动量守恒方程：

????uw)??u??uuv)?(??u?(?u)?(?uu)(p???)???((????()) (1-2)

x??z?y?z?z?x?x?y?t?x?y????pv??v?(?vw)???()v?(vvu)?(?vv)?????))????(()?(?(1-3)

yz?x?x?y?y?z?z???t?xy?????pw?w??ww)???(ww)?(?wu)?()wv?(??????(()?())???? (1-4)

zz???yy?z??t?x?y?z?x?x??wu是流速矢量在x、y和z方向的分量，式中，p为密度，为流体微元体上的压强。、、方程求解：对于细长管流，FLUENT建议选用双精度求解器，流场计算采用SIMPLE算法，属于压强修正法的一种。

3.2 紊流流动

υd?s0.1m/???10000Re，方向流入圆管，可计算出雷诺数故圆管内，当以水流以流速从Inlet

2ν流动为紊流。26??/sm?10?1、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程）假设水的粘性为常数（运动粘度系数如下：①质量守恒方程：????w()v)?(??u)?(????0(1-5)

zy?t?x??②动量守恒方程：????uw)??u??(?u??(u)?(?uu)?(uuv)???)()???()?(??

?t?x?y?z?x?x?y?y?z?z(1-6) 2????????pwu?v()?)?(uu()??]???[?

xy??z??x????vw)??v??v??v)?()vu?(vvv)?(?(???)())?((?????

?t?x?y?z?x?x?y?y?z?z(1-7)

2????????pvw(?)???(uv)(v)???[??]y?z?y?x?． ????ww)??w??w??(?wu)?(wwv)?(?()w???)()?(?)?(???

?t?x?y?z?x?x?y?y?z?z(1-8) 2????????pw)?((v?w(?)u)w??]???[?z?x?y?z?③湍动能方程：

??????kw)?)?((ku)?(??kkv?k?()k???tt)?)]???[([(?)])??

???yy?x?y?z?x??t?x kk (1-9)

??k????t???[(G?))]k?zz??k④湍能耗散率方程： ?????????????w())?(?u)?(?)?v?(???tt)])??[(??))]?[(??

??y?t?x?y??x??xy?z kk(1-10)

2????C?????1t C?))]?G??[(?2k?kkz?z?k??wu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。式中，为密度，??k模型，SIMPLEC算法。方程求解：采用双精度求解器，定常流动，标准

4 在FLUENT中求解计算层流流动

4.1 导入并检查网格

注意调整Scale大小。因在ICEM中作网格时，已采用的是以“米”为单位的长度，故不需更换单位。

网格显示流动沿X方向，共存在283575 hexahedral cells，范围Domain Extents: x-coordinate: min (m) = 0.000000e+000, max (m) = 2.000000e+000

y-coordinate: min (m) = -4.995393e-002, max (m) = 4.995393e-002

z-coordinate: min (m) = -4.995393e-002, max (m) = 4.995393e-002

4.2 设置求解器

本模型基于压强计算，可采取绝对流速计算，Solver求解器可采取默认设置。

υd?Re?500，故圆管内流动为层流，雷诺数Viscous设置为Laminar。ν

4.3 定义材料

，设置成水。Fluent定义为Material type因本研究采用水流动，故需使