直管水道Fluent模擬使用方法

崔宇翔（四川省鹽業學校,四川　自貢643010）

直管水道Fluent模擬使用方法

崔宇翔
（四川省鹽業學校,四川自貢643010）

摘要：直管水道是供熱系統中很常見的一種形式，水在管道中流動，由于粘滯力的作用，在流動過程中將產生沿程阻力。由于直管水道內斷面流速不均勻，其斷面平均流速很難準確給出。針對這一問題，我們采用Fluent軟件對其進行CFD模擬，研究管道內的速度場，并計算出沿程阻力損失；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。

關鍵詞：Fluent；Gambi t；直管水道；速度分布；沿程阻力損失

1　Fluent簡介

Fluent軟件是目前市場上最流行的CFD軟件，是一個用于模擬和分析復雜幾何區域內的流體流動與傳熱現象的專用軟件，它適用于各種復雜外形的可壓和不可壓流動計算。

用數值方法模擬一個流場包括網格劃分、選擇計算方法、選擇物理模型、設定邊界條件、設定材料屬性和對計算結果進行后處理幾大部分。對Fluent軟件包而言，其完成一個流體流動與傳熱問題的計算流程是：首先利用Gambit或者其他前處理器完成模擬對象幾何結構的建模以及計算網格的生成與劃分，然后將網格導入Fluent中進行求解計算，最后對計算結果進行處理和分析。

下面我們采用Fluent軟件對直管水道內流場進行CFD數值仿真模擬，以便更好地了解和掌握Fluent軟件的使用方法。

2　直管水道數值模擬

2.1建立模型劃分網格

2.1.1問題描述

模擬對象是一個圓形直管道，內部工質為水。由于是圓截面管道，在不考慮重力或者假設重力方向與管道軸線方向一致時，該三維流動可以簡化為二維軸對稱流動問題，簡化后的數值模擬區域僅僅是原來管道的一個軸對稱剖面。管道總長2m，管半徑0.1m，管道足夠長，我們一般認為出口已經是充分發展的流動；管中流動的工質為水，常溫下密度為1000kg/m3，粘性為0.001kg/(m?s)；假設入口處水流速度0.05m/s。

2.1.2利用Gambit建立計算區域和指定邊界條件類型

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

（2）步驟2建立計算區域：1）創建控制點OperationGeometryVertex；2）創建邊OperationGeometryEdge；3）創建面OperationGeometryFace。

（3）步驟3劃分網格。網格劃分可以先對邊進行網格劃分，然后是面，再是體；也可以直接對體或者面進行網格劃分。對于本論文直通水道內流場，我們選擇對面直接進行網格劃分，采用默認方式，單元格為四邊形，劃分方式為分塊映射方式，網格間距0.01m。

對于直通水道內流場，選擇對Edges進行邊界設定。選擇水流入口對應的邊并設定其邊界條件類型為速度入口Velocity-inlet，指定出口的邊界條件為充分發展Outflow，指定下邊的邊界條件為軸對稱Axis類型，對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：

本論文所計算的軸對稱直通水道是個二維問題，并且對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文件導入和網格操作：

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行一次網格檢查，看計算域尺寸是否修改正確了。

Smooth/Swap

（3）步驟3選擇計算模型：

對于本論文，默認的壓力基求解器就能滿足要求。

2）其他計算模型的選定。

對于本論文，由入口速度和特征長度（直徑）可以計算出入口雷諾數為9930，流動為湍流，還需要設置湍流模型。D efineM odelsViscous…我們選擇k-epsilon雙方程模型。對于本論文，我們不需要計算溫度場，也不需要設置其他物理模型。

對于本論文，我們不考慮重力，不選擇G ravity，其他保持默認即可。

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

（6）步驟6求解方法的設置及其控制1）求解參數的設置SolveControlsSolutions…對于本論文，接受所有默認設置即可。

設置ComputeForm為in let，即用進口的量對全場進行初始化。

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

2.3 計算結果顯示

（2）繪制速度云圖

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

3　結論

利用Fluent軟件模擬直通水道內流場（定常、不可壓縮流動問題，不考慮傳熱），能夠全面反映出流場內部的速度分布情況，從而計算出其沿程阻力損失，而且可以減少設計中的實驗次數、節省經費。我們平時遇到的流體流動更加復雜，對于其中不涉及傳熱的問題，我們均可以按照文中的計算步驟進行模擬求解。

參考文獻：

[1]于勇.FLUENT入門與進階教程[M].北京:北京理工大學出版社,2008:118-130.

[2]蔡增基,龍天渝.流體力學泵與風機(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社,1999:123-126.