崔宇翔（四川省鹽業(yè)學(xué)校,四川　自貢643010）

直管水道Fluent模擬使用方法

崔宇翔
（四川省鹽業(yè)學(xué)校,四川自貢643010）

摘要：直管水道是供熱系統(tǒng)中很常見(jiàn)的一種形式，水在管道中流動(dòng)，由于粘滯力的作用，在流動(dòng)過(guò)程中將產(chǎn)生沿程阻力。由于直管水道內(nèi)斷面流速不均勻，其斷面平均流速很難準(zhǔn)確給出。針對(duì)這一問(wèn)題，我們采用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行CFD模擬，研究管道內(nèi)的速度場(chǎng)，并計(jì)算出沿程阻力損失；本文給出模擬仿真的具體步驟，以便讓人們更好地掌握Fluent軟件。

關(guān)鍵詞：Fluent；Gambi t；直管水道；速度分布；沿程阻力損失

1　Fluent簡(jiǎn)介

Fluent軟件是目前市場(chǎng)上最流行的CFD軟件，是一個(gè)用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的專(zhuān)用軟件，它適用于各種復(fù)雜外形的可壓和不可壓流動(dòng)計(jì)算。

用數(shù)值方法模擬一個(gè)流場(chǎng)包括網(wǎng)格劃分、選擇計(jì)算方法、選擇物理模型、設(shè)定邊界條件、設(shè)定材料屬性和對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理幾大部分。對(duì)Fluent軟件包而言，其完成一個(gè)流體流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的計(jì)算流程是：首先利用Gambit或者其他前處理器完成模擬對(duì)象幾何結(jié)構(gòu)的建模以及計(jì)算網(wǎng)格的生成與劃分，然后將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行求解計(jì)算，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理和分析。

下面我們采用Fluent軟件對(duì)直管水道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值仿真模擬，以便更好地了解和掌握Fluent軟件的使用方法。

2　直管水道數(shù)值模擬

2.1建立模型劃分網(wǎng)格

2.1.1問(wèn)題描述

模擬對(duì)象是一個(gè)圓形直管道，內(nèi)部工質(zhì)為水。由于是圓截面管道，在不考慮重力或者假設(shè)重力方向與管道軸線方向一致時(shí)，該三維流動(dòng)可以簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱(chēng)流動(dòng)問(wèn)題，簡(jiǎn)化后的數(shù)值模擬區(qū)域僅僅是原來(lái)管道的一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)剖面。管道總長(zhǎng)2m，管半徑0.1m，管道足夠長(zhǎng)，我們一般認(rèn)為出口已經(jīng)是充分發(fā)展的流動(dòng)；管中流動(dòng)的工質(zhì)為水，常溫下密度為1000kg/m3，粘性為0.001kg/(m?s)；假設(shè)入口處水流速度0.05m/s。

2.1.2利用Gambit建立計(jì)算區(qū)域和指定邊界條件類(lèi)型

（1）步驟1文件和創(chuàng)建及其求解器的選擇：1）啟動(dòng)Gam b it軟件；2）建立新文件。

（2）步驟2建立計(jì)算區(qū)域：1）創(chuàng)建控制點(diǎn)OperationGeometryVertex；2）創(chuàng)建邊OperationGeometryEdge；3）創(chuàng)建面OperationGeometryFace。

（3）步驟3劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分可以先對(duì)邊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后是面，再是體；也可以直接對(duì)體或者面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于本論文直通水道內(nèi)流場(chǎng)，我們選擇對(duì)面直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用默認(rèn)方式，單元格為四邊形，劃分方式為分塊映射方式，網(wǎng)格間距0.01m。

對(duì)于直通水道內(nèi)流場(chǎng)，選擇對(duì)Edges進(jìn)行邊界設(shè)定。選擇水流入口對(duì)應(yīng)的邊并設(shè)定其邊界條件類(lèi)型為速度入口Velocity-inlet，指定出口的邊界條件為充分發(fā)展Outflow，指定下邊的邊界條件為軸對(duì)稱(chēng)Axis類(lèi)型，對(duì)其他的所有邊指定為Wall。

2.2求解器求解

（1）步驟1Fluent求解器的選擇：

本論文所計(jì)算的軸對(duì)稱(chēng)直通水道是個(gè)二維問(wèn)題，并且對(duì)求解的精度要求不高，所以選擇二維的單精度求解器2d即可。

（2）步驟2文件導(dǎo)入和網(wǎng)格操作：

由于Gambit中是以mm為單位的，而Fluent中是以m為單位的，所以在X、Y中輸入0.001，scale一次。注意，在縮放之后需要在進(jìn)行一次網(wǎng)格檢查，看計(jì)算域尺寸是否修改正確了。

Smooth/Swap

（3）步驟3選擇計(jì)算模型：

對(duì)于本論文，默認(rèn)的壓力基求解器就能滿足要求。

2）其他計(jì)算模型的選定。

對(duì)于本論文，由入口速度和特征長(zhǎng)度（直徑）可以計(jì)算出入口雷諾數(shù)為9930，流動(dòng)為湍流，還需要設(shè)置湍流模型。D efineM odelsViscous…我們選擇k-epsilon雙方程模型。對(duì)于本論文，我們不需要計(jì)算溫度場(chǎng)，也不需要設(shè)置其他物理模型。

對(duì)于本論文，我們不考慮重力，不選擇G ravity，其他保持默認(rèn)即可。

我們需要設(shè)置flu id流體區(qū)域的物質(zhì)，in let的邊界條件（給出水流入口速度0.1m/s，分別設(shè)置湍流強(qiáng)度為5.1%，水力直徑0.2m），ou tlet和w all的邊界條件保持默認(rèn)值，固體壁面上采用無(wú)滑移條件。

（6）步驟6求解方法的設(shè)置及其控制1）求解參數(shù)的設(shè)置SolveControlsSolutions…對(duì)于本論文，接受所有默認(rèn)設(shè)置即可。

設(shè)置ComputeForm為in let，即用進(jìn)口的量對(duì)全場(chǎng)進(jìn)行初始化。

5） 保 存 計(jì) 算 后 的 Case和 Data文 件 FileWriteCase&D ata…

2.3 計(jì)算結(jié)果顯示

（2）繪制速度云圖

根據(jù)數(shù)值模擬給出的進(jìn)出口斷面壓力P1、P2，按照公式可計(jì)算出直通水道的沿程阻力損失hf（Pa）。

3　結(jié)論

利用Fluent軟件模擬直通水道內(nèi)流場(chǎng)（定常、不可壓縮流動(dòng)問(wèn)題，不考慮傳熱），能夠全面反映出流場(chǎng)內(nèi)部的速度分布情況，從而計(jì)算出其沿程阻力損失，而且可以減少設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)次數(shù)、節(jié)省經(jīng)費(fèi)。我們平時(shí)遇到的流體流動(dòng)更加復(fù)雜，對(duì)于其中不涉及傳熱的問(wèn)題，我們均可以按照文中的計(jì)算步驟進(jìn)行模擬求解。

參考文獻(xiàn)：

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