基于Fluent的低雷诺数突扩圆管流场的数值模拟_许自顺

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基于Fluent自振空化喷嘴内流场的数值模拟

基于Ｆｌｕｅｎｔ自振空化喷嘴内流场的数值模拟
陈林，雷玉勇，郭宗环，王永韦
（西华大学机械工程与自动化学院，四川成都６１００３９）
摘要：根据Ｆｌｕｅｎｔ流体仿真软件和风琴管形空化喷嘴内流场的特点，基于流体力学基本理论，对不同结构的风琴管形空化喷嘴进行了仿真研究。通过数值模拟计算，得到了各个风琴管形空化喷嘴的出口速度值、压力分布图和速度分布图等。模拟结果表明，在空化喷嘴的圆柱段存在速度最大值，射流进入圆柱段后产生了明显的负压区，当压力低于液体的饱和蒸气压力时，空化气泡产生。在特定的参数下（喷嘴人口直径Ｄ＝８ｍｍ，谐振腔直径Ｄ＝４ｍｍ，圆柱段直径ｄ＝１．５
ｉｃｌａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｈａｔｔｔｈｅｒｅｉｓａｍ￣ｉｍｕｍｓｐｅｅｄｉｎｃｙｌｉｎｄｉｒｃａｌｓｅｃｔｉｏｎｏｆｈｅｔｏｒｇａｎｐｉｐｅｓｈａｐｅｄｃａｖｉｔａｔｉｏｎ
２０１３年６月第４１卷第１１期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴ０ＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
ＪＮｏ．１１
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ — ３８８１．２０１３．１１．０４４

基于Fluent的混合弯管流场的数值模拟

ｔｒｕｈ傩ｔｍｐｅａｕｅｉｉｅｔｅｅｂｗ．ｐｒｓｕｅａｄｓｅ．ｔ．ｏｅｂａｅｎＦｌｅｔＴｅｈｅｕｔｅ￥ｓｃｅｒｔｒｎｄｈｌｏｓｅｓｒｎｐｅｄｅｃｉｄｎｓｄｏｕｎ．ｈｎｔｅｒｓｌｓｓ
【摘要】弯管在工业生产的各个领域正得到越来越广泛的运用。以工业生产最常见的一种弯管体为研究对象，利用计算流体力学技术，首先对弯管体进行物理建模，设定各项基本参数，通过ＦＵＮＬＥＴ软件对弯管内温度、压力、速度等参数做了全面详细的二维数值模拟，最后将计算结果进行图形化显示，得到了各项设计指标的极值及其所在部位等重要的设计及优化依据，象具体的研究分析了弯管形
内流体状态。
关键词：ＬＥＴ混合弯管；ＦＵＮ；流场；模拟【ｂｔｃ】ｌｗｒｕｅｌｅａｄｒｒｉｄｅｅｒｎｕｔｒｕｔｎｙｔｉｃｎＡｓａｔＥｂｓｅｓｄ１ｒｎ，ｅｎｉｒｅｏｄｓｙｏｃｉ．ｋｇａｏ－ｒｏａＴｅｖｓａａｆｉｒｐｄｏＢａｎ￣ｏｓｉｎｅｂｗａｓａｃｂｅｔｈｓａｍｄｌｇｉ￡ｕｌｗｔｅｈｌｏｆｕｄｍｃａｉｏｐｔ－ｌｌｏｓｒｅｈｏｊｃ，ｙｉｌｏｅｉｉｏａｅｒｐｃｎｓｂｉｉｔｅｌｉｅｈｃｃｍｕｔｈｈｐｆｎｓａ
ｌｌ百ｊｌ
混合弯管在工业生产领域正得到越来越多的运用，其在水利、

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-⽅程[]1，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kε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Title The numerical simulation and analysis of the flow in the 3D round tubeAbstract:In engineering and life, circular pipe flow is the most common and the simplest flow, and it contains two flow conditions-aminar and turbulent. Reynolds number is used to distinguish the fluid state criterion. This paper is to simulate study of three-dimensional pipe laminar and turbulent flow by Fluent software, which mainly makes analysis on the velocity distribution and the pressure distribution .First, establish physical model in the Gambit, respectively, set straight circular pipe and 90 degree bend pipe physical model, and then, mesh. Selecting liquid flow equation of mass conservation, momentum conservation equation and energy conservation equation of laminar flow and turbulent flow, we can, respectively, use 3 different entrance velocity to make simulation analysis of 3D pipe internal fluid. In Fluent software , this paper expresses the different velocity of laminar and turbulent flow in pipe flow condition in an intuitive way, discussing pattern and characteristics under different flow, and verifies the accuracy of the numerical results through several theoretical method.Results show that the numerical results are Conformed to the theory datas of Laminar and turbulent flow .Keywords:Fluent; Smooth pipe; Turbulent flow; Laminar flow; Reynolds number；Numerical simulation⽬录1 绪论 (1)1.1课题提出的意义 (1)1.2直接数值模拟⽅法简介 (1)1.3主要研究内容 (2)2直接数值模拟⽅法 (3)2.1FLUENT简介 (3)2.2FLUENT的计算过程 (5)2.3控制⽅程 (6)3 在GAMBIT建⽴中模型 (9)3.1直圆管 (9)3.290度弯管 (10)4 在FLUENT中求解计算层流流动 (11)4.1FLUENT的参数设置 (11)4.2直圆管层流计算结果及分析 (12)4.390度弯管层流计算结果及分析 (18)4.4圆管层流数值模拟结果的验证 (22)5 在FLUENT中求解计算紊流流动 (26)5.1FLUENT参数设置 (26)5.2直圆管紊流计算结果及分析 (26)5.390度弯管紊流计算结果及分析 (33)5.4圆管湍流数值模拟结果验证 (35)6 总结与展望 (38)6.1总结 (38)6.2展望 (38)参考⽂献 (39)致谢 (41)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。

基于Fluent的复杂边界条件流动传热数值模拟

2016年第1期信息与电脑China Computer&Communication计算机工程应用技术目前，对于航空发动机内部燃烧室内部部件的设计，相比之前，需要更高的温升和更强的耐热性，这也不可避免地带来一些问题：比如油气之间的匹配问题、燃烧室火焰筒及涡轮叶片的冷却等。

目前，在推重比8一级的温升水平基础上，发动机10一级的发动机燃烧室温升水平较此提高了约200℃，采用的技术是对流气膜冷却或浮动壁的冷却技术。

我们若希望提高发动机燃烧室的温升水平，就要想办法解决恶劣的火焰筒工作条件带来的安全和可靠性问题。

目前，解决的方法通常是以下两种：一种采用先进的气膜冷却技术，还有一种就是火焰筒材料的许用温度如何提高。

在现代航空发动机中，热容量和温度上升都很高，传统的气膜冷却技术已无法满足现代航空燃烧室的日益发展了。

因此，我们需要积极寻求新的、高效的冷却方法。

本文使用了Fluent软件对冲击-发散复合冷却方式进行了数值模拟，通过改变吹风比M，相邻孔间距与发散孔径比(Pi/dm或Pm/dm)，得出了这三个数值的大小对冷却效率的影响，并利用这个基本特征对流场与温度场进行模拟分析，总结出一定的规律。

１　计算方法1.1 物理模型我们采用Fluent软件中的分离隐式求解器对各个物理量进行了三维稳态计算，控制方程的通用形式如公式（1）所示：（1）式中，ρ表示流体的密度，ϕΓ和ϕS表示变量ϕ所对应的有效扩散系数和源项。

dm设定为1.0mm，其含义是发散孔直径，tm设定为=1.8mm，其含义是发散孔板厚度，Sm表示沿主流流向的相邻发散孔间距，Pm为展向的相邻发散孔间距；di设定为1.5mm，表示冲击孔直径，ti设定为1.8mm，表示冲击孔板厚度，Si表示沿主流流向的相邻冲击孔间距，Pi表示沿展向的相邻冲击孔间距。

其中，H/di的值为2.0，表示冲击间距与孔径比，Pi=Pm=2Si=2Sm，两壁之间的缝高H=3.0mm。

冲击孔与发散孔的排列布置方式为叉排正菱形，展向上的流动具有一定的相似性，因此我们选取沿流向上第19排孔作为研究区域，简化对称性边界条件后，选取宽度为Pi的两排孔作为研究区域。

基于Fluent软件的SABR反应器流场模拟

（ｒ）ｓｆａｅｐｃａｅＦｕｎ．１ｕ —ｓｌｍｏｋｐｉｅｅｔｉｏｉｏｏｗｒ．ｏｐｔｉａｐｏｒｓｉｂｅｔｅｔｌｈａｃ＇ｏｗｒａｋｇｌｔ１１ｌｃｅｃｕｓｒｃｄｗｔＳｌｗｒｓ，ａｅＡｃｍｕｔｎｌｒｇｍｔｌｏｓｂｉｏｔｅｅｆｌａｅｈｄｋａｏａｕａａｓ
２１年第３００６卷第１期１
Ｎｖｍｂｒ２ｌｏｅｅ００
工业安全与环保ＩｕｔａＳｆｔａｄＥｖｏｍｎｌｒｔｔｎｎｓｉａｙｎｎｉｎｅｔｏｃｉｄｒｌｅｒａＰｅｏ
・３・
基于Ｆｕｎ软件的ＳＲ反应器流场模拟＊ｌｅｔＡＢ
ｗＵＣｕｄＺＵＧｏｅｇＸＥＱｉＷＡＧＹｎｎＬＵⅪｎｈｎｕＨｕｆＩｉｅｎＮａｍｉＩｇ（ｏｎｉｎ￣，ＪｎｓｎｅｓｆＥｖｏｍｒｉｇｕＵｉｒａｔＺｅｊｎ娜ｈｎａｇ，ｉｕ２２１）１Ｏ３
ｂｏｋ—ｓｕｔｒｄｍｅｈｏｏｌｘｂｄｓｃｍｐｌｄｂｈｌｃｌｃｔｃｕｅｓｆｃｍｐｅｏｙｉｏｉｙｔｅｂｏｋ—ｓｕｔｒｄｍｅｈｄｈｄｆｄｋ—ｅｓｌｎｔｌｅｃｄｌａｄｔｅｒｅｌｅｕｅｔｏ．Ｔｅｍｏｉｅｒｉｐｉ￣ｎｅｍｏｅｎｈｏＵｓｄｎｌｉｇｍｅｈｍｅｏｒｓｄｔｅｃｂｈｌｗｉｈｅｅｔｉｓｔｄａｅｕｅｏｄｓｒｅｔｅｆｈｉｏｎｔｅｒａｔ￣．Ｔｅｏｉｈｅｖｌｃｔｙ．ｐｅｓｒｎｕｂｌｎｅｐｒｒｎｅｉｈｅｃｏｒｎｅｔ－ｒｓｕｅａｄｔｒｕｅｃｅｏｍａｃｎｔｅｒａｔｒｅｉｖｓｉｆａｇｔｄａｎｅｌｗｔｆ０．７ａｅｔｉｌｔｆｒｅｏｏａ２６，０．２４０，０．４８０，１６０Ｌｈ．ｔｅｕｔｓｏｓｔａｌｅｔｃｕｄｅａｔｙｓｍｕａｅｄｔｉｅｉｆｎｎｔｎｏｈ．８／ｈｅｒｓｌｈｗｈｔＦｕｎｏｌｘｃｉｌｔｅａｌｎｏａｉｆｔｅｌｄｏ

突扩管流动形态的数值模拟

突扩管流动形态的数值模拟周再东;魏长柱;孙明艳;刘帅【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)030【摘要】针对油品在管道中运输时常常遇到边界突然扩大的流动状态.分别建立突扩管的物理模型、数学模型,并应用软件模拟不同雷诺数、不同突扩比下的管内流体的流动形态,得出了不同雷诺数下轴向压力的变化趋势以及局部水头损失随突扩比的影响规律.结果可以很好地反映突扩管流的基本特征.对于石油生产中常见的此类问题的研究具有重要的意义和作用.%For the pipeline transportation of oil in the border sudden expansion of the flow state is often faced. To established physical model, mathematical model, and application software to simulate different Reynolds number, different enlargement ratio of fluid movement form, the trend of the axial pressure under different Reynolds numbers, as well as the local head loss with the sudden expansion of the law is obtained. The results can be very good response to sudden expansion of the basic characteristics of pipe flow, common for the oil production of such issues of great significance and role.【总页数】3页(P7983-7985)【作者】周再东;魏长柱;孙明艳;刘帅【作者单位】大庆油田有限责任公司储运销售分公司储运保障大队,大庆163000;大庆油田有限责任公司第二采油厂,大庆163414;大庆油田有限责任公司第三采油厂,大庆163000;大庆油田有限责任公司第一采油厂,大庆163000【正文语种】中文【中图分类】O352;TE832.2【相关文献】1.突扩管层流流动的数值模拟 [J], 白彩鹏2.冷却条件下超临界CO<sub>2</sub>在突扩管中流动及其换热的数值模拟 [J], 王超;张信荣;白皓;;;3.突扩管内部流体流动性能的数值模拟 [J], 王战辉;张智芳;高勇;李瑞瑞4.突扩膨胀射流冲击换热与流动的数值模拟 [J], 郑传波;耿丽萍;周静伟5.泄洪洞弧形闸门突扩突跌出口段三维流动的数值模拟 [J], 李国栋;许文海;邵建斌;陈刚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于Fluent流场数值仿真的管路流量计算_张功晖

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.12.2010基于Fluent流场数值仿真的管路流量计算张功晖1黎志航2周志鸿1(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083; 2.广东肇庆爱龙威机电有限公司，广东肇庆526238)摘要：利用Fluent三维单精度求解器，对管路内的三维稳态流场进行仿真，利用后处理工具得到管路体积流量，并将Fluent数值仿真计算的体积流量结果与实测结果进行对比，数值仿真计算结果得到实际测量实验的验证。

关键词：Fluent；管路；流量中图分类号：TH138.52文献标识码：A文章编号：1008-0813（2010）12-0041-03Air-passage Structure Improving of Pneumatic ElectromagneticValve Based on Flow Field Simulation withing FluentZHANG Gong-hui1LI Zhi-hang2ZHOU Zhi-hong1(1.Civil&Environment Engineering School of University of Science and Technology Beijing,Beijing100083,China; 2.Guangdong Zhaoqing L&V Co.,Ltd.,Zhaoqing526238,China)Abstract:This thesis applies Fluent single-precision solver calculate the volumetric flow rate by simulating3D steady flow field of the pipeline,and compares the calculated flow rate and the actual measured result.Key Words:fluent；pipeline；volumetric flow rate0提出问题广东肇庆爱龙威公司构建了如图1所示的管路，管路由一段长为L1=500mm、管内径为D1=4mm的塑料管AB，与一个长度为L2=40.14mm、孔径为D1=1.25mm 的不锈钢零件BC连接而成。

基于FLUENT的后混合磨料水射流喷嘴内流场的数值模拟

ｎｍｉｅｆｒｎｅｉｓｅｐｓ－ｘｄａｒｓｖａｅｔｎｚｌａａｒｄｏｔｙＦＵＮＡｓｒｓｏｉｌｉｎｒｓｌａｃｐｒｍａｃｎｉｏｔｅｂａｉｅｗｔｒｅｏｚｗｓｃｒｅｕＬＥＴ．ｅｅｆｓａｏｅｕｔｏｄｍｉｊｅｉｂｉｍｕｔｓ
ＪｔＮｏｚｅＢａｅｎＦｅｚｌｓｄｏＬＵＥＮＴ
ＣｈｉＬｙｎＧｕｏｎｈａＷａｇＹｏｇｅｎＬｎｅｉＹｕｏｇｏＺｇｕｎｎｎｗｅｉ
（ｃｏｌｆｅｈｎｃｌｎｉｅｎ＆Ａｔａｏ，ｉｕｎｖｒｔ，ｈｎｄｉｕｎ６０３，ｈｎ）ＳｈｏｏＭｃａｉｇｅｒｇａＥｎｉｕｏｔｎＸｈａＵｉｓｙＣｅｇｕＳｃａ１０９Ｃｉａｍｉｅｉｈ
ｔａｈｘｔｖｌｃｔｎｉｅｉｎｒｓｓｇｉｃｎｌｅｕｅｅａｓｆｔｅｖｒｅｏａｉｎｍａｉｇｐｒｏｈｎｒｈｔｔｅｅｉｅｏｉｙａｄｋｎｔｅｅｇｉｉｎｆａｔｙｒｄｃｄｂｃｕｅｏｈｏｔｘｆｒｔｏｋｎａｆｔｅｅｅｇｃｙｉｍｔｙｌｓ．ｄｔｅｅｉｐｉｚｄｎｚｌｅｇｈｔｅｘｍｕｖｌｃｔｆａｒｓｖａｔｌｓｉｓｄｏｚｅＴｅｍａｉｍｘｔｖ－ｏｓＡｎｈｒｓｏｔｍｉｅｏｚｅｌｎｔｏｇｔｍａｉｍｅｏｉｙｏｂａｉｅｐｒｉｅｎｉｅｎｚｌ．ｈｘｍｕｅｉｅｃｌｃｔｆａｒｓｖａｔｃｅｓｏｔｉｅｅｈｙｉｄｒｐｒｉ３～３ｉｓｏｅｉｓｄｉｍｅｅ．ｅｔｒｕｅｃｉｔｉｏｉｙｏｂａｉｅｐｒｉｌｓｉｂａｎｄｗｈｎｔｅｃｌｅａｓ２ｎｔ７ｔｍｅｆｔｎｉｅｄａｔｒＴｈｕｂｌｎｅｄｓｒ— ｈｂｔｎｉｓｄｈｏｚｅｃｎｂｏｕｅｎｔｅｎａｌｒｇｏｎｈｒａｗｈｃｅｍｅｒａａｇｒｃａｇｓｕｉｎｉｅｔｅｎｚｌａｅｆｃｓｄｏｈｅｒｗａｌｅｉｎａｄｔｅａｅｉｈｇｏｔｙｈｓｌｒｅｈｎｅ．ｏ

管道内壁粗糙度对沿程阻力影响的FLUENT 数值模拟分析

管道内壁粗糙度对沿程阻力影响的FLUENT 数值模拟分析姚雪蕾;袁成清;付宜风;白秀琴【摘要】针对在海底管道的设计阶段准确获取沿程阻力的问题，采用FLUENT软件运用数值模拟的方法，分析粘性流体在管道中的摩阻损失与管道内壁粗糙度的关系，将计算结果与理论结果进行对比。

结果显示，除流态从水力光滑区到混合摩擦区间有一个过渡阶段存在误差外，其余都吻合良好，证实输油管道的内壁粗糙度只在混合摩擦区对摩阻有较大影响，改善管壁面粗糙度可以减小阻力。

若流态处于水力光滑区到混合摩擦区之间，计算摩阻系数仅靠经验公式是不合适的，应考虑采用数值模拟计算的方法。

%Aiming at the problem of obtaining accurately the on-way resistance of submarine pipeline at the design stage, numerical simulation method is adopted to analyze the relationship between loss of viscous fluid friction and wall roughness of the pipeline based on paring the calculated results with theoretical results and the actual situations, the results show there is a good agreement, except for the flow pattern transiting from the hydraulic smooth region to the mixed friction region.It is confirmed that the friction coefficient is strongly influenced by pipeline wall roughness only in the turbulent mixing friction re-gion.In this case, reducing the surface roughness of the wall can cut down the resistance.If the flow pattern transits from the hy-draulic smooth region to the mixed friction region, it is inappropriate to calculate friction coefficient only by the empirical formu-las, and numerical simulation is the method that should be considered.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】7页(P101-106,110)【关键词】输油管道;粗糙度;沿程阻力;FLUENT;数值模拟【作者】姚雪蕾;袁成清;付宜风;白秀琴【作者单位】武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所，武汉430063; 武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉430063;武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所，武汉430063; 武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉430063;武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所，武汉430063; 武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉430063;武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所，武汉430063; 武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉430063【正文语种】中文【中图分类】TE832;P756.2随着计算流体动力学的发展，利用FLUENT分析粘性流体在管道中的阻力特性已经得到了很多实用性的成果，如针对粗糙的管壁[1-4]或者是产生局部阻力损失的典型阀件(突扩管、三通管、弯管等)[5-6]，通过数值模拟的方法可以模拟出常规实验无法得到的不同流场的各种信息。

[16] 基于FLUENT的动态高压微射流内部孔道流场的数值模拟

１１４
６卷高压物理学报第２
可能存在的吸附、重聚集和破碎现象进行了研究。是因为提供了足够强大的作用力场。高压微射流均质机之所以对物料起着良好的超细化处理效果，［［１２］２］早期研究一般认为主要作用力是剪切力和气穴作用力，Ｐａｕｉｎ认为气蚀现象是占６０％的主要作用ｑ
］１３１４－方式。刘伟等人［通过对振荡反应腔微孔流道各段流场的压力、能量及动力学行为进行分析，认为其１］，主要的力学作用可能包括高速撞击作用、高频振荡、瞬时压力降、强剪切、气蚀作用等［但对其作用机
制和原理没有清楚解释。流体速度大小及分布情况对其间作用力的大小有决定性影由于动态高压微射流流场内流体压力、所以进一步探究微射流流场内基本物理量的具体分布情况对认清流场作用机理很有必要，也是推动响，该项高压技术发展的有效途径。本研究创建动态高压微射流振荡反应腔内部孔道的几何模型和网格模型，选择Ｓ设置边界条件及相关参数后，运用ＦＩＭＰＬＥＣ算法和ＲＮＧｋＬＵＥＮＴ软件－ ε 模型进行计算，对流场进行数值计算，模拟并揭示流场内各位置处静压和速度分布情况，为动态高压射流均质机作用机制的深入研究及动态高压射流均质机振荡反应腔的优化设计提供参考。
采用标准ｋ然后转为二阶离散格式，并为加快收敛速度，－ ε模型在一阶精度格式下迭代计算收敛，将能量松弛因子设为０．其它保持默认设置后迭代收敛，最后采用Ｒ８，ＮＧｋ－ ε 模型进行求解。
２．３计算结果检验
、、收敛）系统流量（不平衡度小于０．网格衡量参数Ｙ＋值（约等于１且不超过５）１％）通过残差图（３方面对计算结果进行检验。

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摘要：针对突然扩大的管道流动这一流动现象，使用 hypermesh 软件建立了突扩管的物理模型，在低雷诺数条件下应用 Fluent 对水流的管路突扩情况进行了不同雷诺数和不同扩张比下的管内流体的流动形态数值模拟。通过 Ensight 和 Grapher 等后处理软件对计算结果进行了图像和数据的处理，分析了管路突扩回流时速度和压力的分布情况，总结了突扩管的阻力系数变化规律。模拟结果可以很好地反映突扩管流的基本特征，对生产中相关产品的改善提供理论依据。关键词：突扩管；数值模拟；流场；水头损失中图分类号：TK401 文献标识码：A 文章编号：1000 - 6494（2016）01 - 0027 - 04
0 引言
当固体边界形状突然改变时，引起原有水流内部结构的改变，从而产生漩涡等现象。在边界改变之后，水流还要重新调整以适应均匀流条件。突扩回流由于流体的惯性和突然扩大的边界条件，在管壁拐角与主流束之间成分离和回流区，会引起压力降低和能量损失 [1]。突然扩张管道在能源、动
基金项目：国家科技支撑计划子课题 (2015BAF07B04 ) 作者简介：许自顺（1990 -）, 男，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事动力机械的研究。收稿日期：2015 - 10 - 14
动，操作压力选用标准大气压，求解压力速度采取 SIMPLE 算法，采取标准 k-ε模型，动量方程用二维迎风格式离散，亚松弛迭代因子定为压力修正项取 0.3，动量修正项选 0.7。连续性方程和动量方程收敛残差标准均为 10-3，从速度入口为计算起始点展开计算[4]。
3 求解及结果分析
3.1 不同雷诺数下的突扩管模拟首先计算扩张比一定时管道内流场随 Re 的变化规律，取 e = 2 的物理模型， D1 = 100 mm，D2 = 200 mm，分别取雷诺数 Re = 20，Re = 50，Re = 100，Re = 150 四种入口情况进行计算。以 Re = 20 为例，计算经 183 次收敛。残差监视图见图 2。
表 1 e = 2 时回流区长度模拟结果 Re 20 50 100 150 200 回流区长度/mm 0.065 0.11 0.185 0.22 0.24
涡区与主流的能量交换或粘性连带不断地供给，由此消耗了主流的能量[5]。 3.2 不同扩张比下的突扩管模拟分别模拟了 Re = 20，50，100，150，200 时，在保证雷诺数不变的条件下，改变扩张比 e = 2， 3， 4 时管道内流场分布，得到了相对应的漩涡分布规律和压力损失变化规律。下面以 Re = 150 为例，进行不同扩张比下的突扩管内流场对比。由图 6、图 7 看出，当雷诺数不变时，随着突扩比的增大漩涡区也逐渐扩大，涡漩尺度也随之增大，主流区到达稳定状态的发展距离也会变大。图 8 显示相同轴向位置处，扩张比越大，平均压强越小。涡漩的存在导致主流能量的损失，涡漩越剧烈，所消耗的主流的能量也就越多，通过突扩的能量损失也就越大[6]。图 9 为回流区长度随 Re 和扩张比 e 的变化曲线。从图中可以看出，突扩比一定时，相对回流区长度随雷诺数的增大而增大， Re <100 时接近线性关系， Re >100 后增长变慢； Re 一定时，回流区随扩张比增大而增大[7]。 3.3 突扩管水头损失计算根据伯努利方程可知，管道入口、出口之间的总水头损失 h 可由以下公式计算：
残差值
6
2
2 物理模型及 CFD 设置
2.1 物理模型定义扩张比为 e = D2 /D1，为保证入口和出口流动均为充分发展，取 L1 = 20 D1，L2 =20 D2 作为流动的计算区域，速度剖面为抛物线。在 hypermesh 中建立几何模型和进行网格划分，为了更好地体现扩口附近的流动情况，对模型进行网格划分时对扩口局部进行加密，并对壁面处划分三层边界层网格。几何模型及网格见图 1。
100 10 0 1×10-1 1×10-2 1×10-3 1×10-4 1×10-5
1 — 连续性 2 — x 方向速度 3 — y 方向速度 4 — z 方向速度 5 — 湍动能 6 — 耗散率
式中， p 为静压； ρ 为流体密度； μ 为分子
→ 粘性；u i 为坐标方向的瞬时速度； ui 为平均流动速 [2, 3] 度。通过对相关经验值的选取及与实际相符的边界条件，利用有限元计算可以得到各节点的相关参数，从而得到流场流动情况。
Re = 100
Re = 150
Re = 200 图 3 e =2 时不同雷诺数下的流线图
第1期
许自顺，等：基于 Fluent 的低雷诺数突扩圆管流场的数值模拟
·29·
在突扩的管壁与主流束之间形成涡旋，涡旋靠主流束带动。在同样的管道结构下，随着速度增大，回流区长度和速度都会增大，漩涡明显增大，主流束和壁面之间的漩涡区域变得细而长，由此引起的压力损失也会越大。模拟所得的回流区长度见表 1。
Low Reynolds Number Numerical Simulation of Sudden Expansion Pipe Flow Based on Fluent
XU Zishun1, XIAN Kai1, YU Jianfa2, ZHANG Guirong2 (1.School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Jinan 250061; 2.Chongqing Branch of Weichai Heavy Machinery Co., Ltd. , Chongqing 402284 )
力、化工、环保等部门有着广泛的应用，因此对突然扩张管道中流动的数值模拟也有很大实用价值。随着计算流体动力学 (CFD) 的可靠性不断提高，应用 CFD 软件研究流体机械的流场问题得到广泛的推广[1]。Fluent 流体计算软件在众多的 CFD 通用软件中，以丰富的流动模型和便捷的操作模式见长。利用 Fluent 软件，对突扩管流场进行计算, 分析了不同雷诺数和扩张比对突扩流场影响情况，并对管道阻力系数进行了计算和总结。
1 数学模型
在等温、不可压缩粘性流体中的质量和动量
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内燃机
2016 年 2 月
守恒方程可以写为笛卡儿坐标张量符号的形式。连续性方程为： ui =0 xi 动量方程为： u u u 1 p →→ u j i =+ v( i + j )-u i uj p xi xj xj xj xi 标准 k-ε模型对应的湍动能方程为： ( k ) +( uj k ) = (+ t xj xj 湍动能耗散率方程为： ( k ) +( uj k ) = (+ t xj xj k 2 ) +C1 Gk -C2 xj k k ) k + t Gk - xj
L1 D1 L2 D2 图 1 几何模型及网格
3 4
5 1
0
50
100 150 迭代步数
200
图 2 残差监视图Fra bibliotek突扩圆管内部流场计算结果可以通过流线和速度矢量图的形式显示出来，见图 3。
Re = 20
Re = 50
2.2 边界条件及物性参数将网格文件以 cas 格式导出，输入 FLUENT 进行求解设置。对于流动充分发展的入口，采取速度入口边界条件进行计算，即给定入口流速；出口采用 outflow 出口，假设流动充分发展，速度剖面为抛物线；壁面采用无滑移边界条件，壁面处法向和切向速度为零。选用液态水作为工作介质，物理性质为密度 ρ = 998.2 kg/m3，动力黏度 μ = 0.001 003 kg/(m·s)。选择分离解算器，采用隐式算法，三维流
e =3
速度
2.667×10-3 2.000×10-4 1.333×10-4 6.667×10-17 5.660×10
-3
Re = 150
e =4 图 7 不同扩张比下的速度矢量图
图 5 e = 2 时不同雷诺数下的速度矢量图
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内燃机
2016 年 2 月
0.004 0 p /Pa -0.004 -0.008 -0.012 4 6 L /m 图 8 Re = 150 时不同扩张比管道截面平均压强 0. 8 回流长度/m 0.6 0.4 0.2 0 40 80 Re 图 9 回流区长度随 Re 和扩张比 e 的变化曲线
-4
Re = 20 Re = 100 Re = 200
Re = 50 Re = 150
e =2
e =3
-0.02
0
2
e =4 图 6 不同扩张比下的流线图
Re = 20
e =2
Re = 50
Re = 100
-3 速度 1.792×10-3 1.344×10-4 8.958×10-4 4.479×10-17 2.787×10
图 4 表明，在管径变化之前压降随着细管长度的增加而增加，而在管径突变处压降有所上升。这是由于速度的减小引起的压力水头的增加，并且 Re 越大突扩口附近压降上升越明显，此后压降趋势和管径变化之前相同。总体上入口、出口之间压降随 Re 增大而增大。从图 5 可以看出，流体经过扩张截面由细管进入粗管时，在管壁拐角与主流束之间形成漩涡。这是由于突扩管内部流体流动具有惯性，在遇到突然扩大的管道形状时，它不能马上按照管道形状流动，而是沿着大管径逐渐扩大。因此，需要通过漩
第1期 2016 年 2 月
内燃机 Internal Combustion Engines
No. 1 Feb. 2016
基于 Fluent 的低雷诺数突扩圆管流场的数值模拟
许自顺1 ，咸凯1 ，余建发2 ，张桂荣2
（1. 山东大学能源与动力工程学院，山东济南 250061； 2. 潍柴重机股份有限公司重庆分公司，重庆 402284）