三维圆管流动状况的数值模拟分析

毕业论文学生姓名：袁洪武学号：20082396学院：土木工程与力学学院专业年级：2008工程力学题目：三维圆管流动状况的数值模拟分析指导教师：蒋光彪副教授评阅教师：余敏讲师2012年5月摘要在工程和生活中，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。雷诺数是判别流体流动状态的准则数。本文用Fluent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。首先在Gambit里建立物理模型，分别建立直圆管与90度弯圆管的物理模型，并划分网格。选用液体流动的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及k方程1，分别对层流和紊流采用不同的3种入口流速来对三维圆管内部流体进行模拟分析，并在FLUENT软件中以直观的方式表示出了层流和紊流各种不同速度在圆管中的流动状况，分析讨论其不同流速下的规律、特点。并通过几种理论方式计算验证所得到的数值模拟结果的准确性。结果证明所得到的数值模拟结果与圆管层流、紊流的理论数据相符合。关键词FLUENT；光滑圆管；湍流；层流；雷诺数；数值模拟TitleThenumericalsimulationandanalysisoftheflowinthe3DroundtubeAbstract:Inengineeringandlife,circularpipeflowisthemostcommonandthesimplestflow,anditcontainstwoflowconditions-aminarandturbulent.Reynoldsnumberisusedtodistinguishthefluidstatecriterion.Thispaperistosimulatestudyofthree-dimensionalpipelaminarandturbulentflowbyFluentsoftware,whichmainlymakesanalysisonthevelocitydistributionandthepressuredistribution.First,establishphysicalmodelintheGambit,respectively,setstraightcircularpipeand90degreebendpipephysicalmodel,andthen,mesh.Selectingliquidflowequationofmassconservation,momentumconservationequationandenergyconservationequationoflaminarflowandturbulentflow,wecan,respectively,use3differententrancevelocitytomakesimulationanalysisof3Dpipeinternalfluid.InFluentsoftware,thispaperexpressesthedifferentvelocityoflaminarandturbulentflowinpipeflowconditioninanintuitiveway,discussingpatternandcharacteristicsunderdifferentflow,andverifiestheaccuracyofthenumericalresultsthroughseveraltheoreticalmethod.ResultsshowthatthenumericalresultsareConformedtothetheorydatasofLaminarandturbulentflow.Keywords:Fluent;Smoothpipe;Turbulentflow;Laminarflow;Reynoldsnumber；Numericalsimulation目录1绪论..................................................................11.1课题提出的意义.....................................................11.2直接数值模拟方法简介...............................................11.3主要研究内容.......................................................22直接数值模拟方法......................................................32.1FLUENT简介........................................................32.2FLUENT的计算过程..................................................52.3控制方程...........................................................63在GAMBIT建立中模型...................................................93.1直圆管.............................................................93.290度弯管.........................................................104在FLUENT中求解计算层流流动..........................................114.1FLUENT的参数设置.................................................114.2直圆管层流计算结果及分析..........................................124.390度弯管层流计算结果及分析.......................................184.4圆管层流数值模拟结果的验证........................................225在FLUENT中求解计算紊流流动..........................................265.1FLUENT参数设置...................................................265.2直圆管紊流计算结果及分析..........................................265.390度弯管紊流计算结果及分析.......................................335.4圆管湍流数值模拟结果验证..........................................356总结与展望...........................................................386.1总结..............................................................386.2展望..............................................................38参考文献................................................................39致谢..................................................................41中南林业科技大学本科毕业论文三维圆管流动状况的数值模拟分析第1页1绪论1.1课题提出的意义对实际工程中大量存在的边界形状复杂的区段内的流动，鉴于其复杂性和测量的困难性，实验往往只能给出总流的参数，却无法给粗区段内详细的流场信息，而数值模拟能够给出相关流场的具体信息2。对水流进行数值模拟的一个有效的工具是fluent将其应用于计算流体动力学进行数值模拟，可以方便地计算出各项水流参数的全场分布，具有计算快速，简捷，数值精度较高等优点，同时fluent具有从不可压到可压，层流到紊流等很大范围的模拟能力，具有很强的实用性3。本课题研究用Gambit软件来进行模型的设置，FLUENT软件来进行数值模拟仿真研究三维圆管内层流和紊流流动，在此基础上分析三维圆管内层流特性和紊流特性，对管内流动的流速分布和压强分布可视化后处理，并结合工程流体力学进行理论分析和论证。弄清三维圆管内部不同流态下的流动特性对分析圆管的传热传质特性和输运特性有重要的意义。另外，通过计算的结果与实验的结果的比较，既可以检验计算的正确性，又可以对实验起到一定的指导作用。流体流动的研究不仅具有学术价值，而且对于强制对流加热和冷却设备的设计者来说也具有相当重要的实际意义。1.2直接数值模拟方法简介直接数值模拟指的是不用任何的模型，直接求解完整的、三维非定常Naiver-Stokes方程组4，计算流动中所有瞬时流动量在三维流场中的时间演化过程。与大涡模拟以及模式理论相比较，直接数值模拟的优点在于它的出发方程是完全精确的。在一般情况下，湍流耗散尺度的量级比分子运动尺度的量级要大得多，因此连续介质假设仍然成立，湍流场的瞬时流场服从N-S方程组。由于N-S方程组是封闭的，用不着任何湍流模型，因此直接数值模拟不包含任何地认为假设和经验常数。此外，直接数值模拟能提供每一瞬时三维流场的完整的流动信息，这是迄今为止用实验方法很难达到的。对于湍流的直接数值模拟，数值方法主要有有限单元法，有限体积法，高阶有限差分法和谱方法等7。谱方法是一种高精度的数值方法，它广泛运用于湍流及流动转捩的中南林业科技大学本科毕业论文三维圆管流动状况的数值模拟分析第2页直接数值模拟之中，通过将微分方程向谱空间投影，可以使原来的微分方程转化为代数方程，从而简化求解过程。直接数值模拟有很多的优点，但是，它并不是完美无缺的。直接数值模拟的最大的缺点就是计算量大。由于要模拟最小尺度的涡，计算网格的分辨率要足够高，而计算区域的尺寸应足以容纳最大尺度的涡，整个三维计算的网格点数是Re的量级5。因此，受目前计算机发展水平的限制，直接数值模拟还只能用于低雷诺数流动的计算。最早的直接数值模拟的工作开始于70年代初期，虽然近二十年来计算机技术迅猛发展，直接数值模拟的网格数已达到10243的规模，但现在的直接数值模拟还只能计算中等雷诺数以下的流动。由于实际工程问题所涉及的雷诺数都相当高，因此直接数值模拟还很难运用到工程计算中。但在湍流的理论研究中，直接数值模拟还是一个很有效的工具。1.3主要研究内容本文研究用CFD软件之FLUENT软件来数值模拟仿真研究三维圆管内层流和紊流流动，在此基础上分析三维圆管内层流特性和紊流特性，对管内流动的流速分布和压强分布可视化后处理，并结合圆管流动的压降公式、速度分布理论、伯努利公式对数值模拟结果验证。Fluent是流体力学中通用性较强的商业CFD软件。Fluent软件可对定常不可压缩流体在圆管内流动进行数值模拟，分析流体层流、紊流的两种流动状态，验证管内流体速度及切应力分布。本文利用直接数值模拟的方法，计算出了光滑圆管内部流体——水在圆管内的层流与紊流的速度与压力场。利用直接数值模拟得到的结果，我们研究了圆管内发生层流，与紊流的一些统计性质，通过与理论结果的比较，验证了我们的数值模拟结果的正确性。中南林业科技大学本科毕业论文三维圆管流动状况的数值模拟分析第3页2直接数值模拟方法2.1FLUENT简介FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD