CFD軟件在突擴、突縮流動現(xiàn)象可視化演示中的應(yīng)用

欒一剛，孫濤，王志濤（哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001）

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CFD軟件在突擴、突縮流動現(xiàn)象可視化演示中的應(yīng)用

欒一剛，孫濤，王志濤
（哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001）

摘要：突擴突縮流動是工程流體力學(xué)中的經(jīng)典流動現(xiàn)象，也是工程流體力學(xué)中的重要課程內(nèi)容，其內(nèi)部流動復(fù)雜，伴隨著局部阻力損失的增加，在傳統(tǒng)授課過程中，該部分內(nèi)容的講解較為抽象，在課堂上缺乏形象的展示內(nèi)容，借助CFD軟件Fluent對突擴、突縮結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動規(guī)律進行可視化研究，形象地展示內(nèi)部流動規(guī)律，分析局部阻力產(chǎn)生原理，以改善該部分教學(xué)內(nèi)容的效果，增強學(xué)生上課興趣。

關(guān)鍵詞：突擴；突縮流；CFD數(shù)值模擬；可視化

工程流體力學(xué)是研究流體的機械運動規(guī)律以及運用這些規(guī)律解決工程實際意義的一門學(xué)科［1］。從遠古時期的治水工程，18世紀(jì)造船、航海的興起，20世紀(jì)航空技術(shù)的發(fā)展，到現(xiàn)在生物技術(shù)、環(huán)境科學(xué)的飛速進步，無不滲透著流體力學(xué)的相關(guān)理論。工程流體力學(xué)課程是熱能動力工程、機械工程等相關(guān)專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)計劃中起著承上啟下的作用。該課程的特點是抽象、枯燥、難懂，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識較多，大部分學(xué)生對學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)都有某種程度的畏懼感［2］。

突擴、突縮流動是工程流體力學(xué)中的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，在這兩類流動過程中，存在復(fù)雜的流動現(xiàn)象，伴隨著較大的局部阻力損失，流體在流過截面突變時的流動分離、流線收斂等重要的流動特點，在傳統(tǒng)授課中，主要依靠文字描述，理論公式等方法向?qū)W生講授該部分內(nèi)容，在課堂上缺乏對流動過程的形象展示。

計算流體動力學(xué)（CFD）是以經(jīng)典理論和數(shù)值計算為基礎(chǔ)，通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進行求解分析，從而達到對流動和傳熱問題進行研究的目的。CFD技術(shù)集中應(yīng)用了20世紀(jì)直至本世紀(jì)科學(xué)技術(shù)方面的最新成就，并具有理論性和實踐性的雙重特點［3-4］。CFD基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組以獲得場變量的近似值［5］。目前全世界已有幾十種求解流動與傳熱問題的商用軟件，這其中比較著名的有FLUENT、PHOENICS、STAR- CD、FLOW3D、CFX等，其中尤以FLUENT最為成熟，使用較為廣泛。

本文以二維定常不可壓縮突擴、突縮流動為例，利用CFD軟件FLUENT對內(nèi)部流動規(guī)律進行數(shù)值模擬，獲得內(nèi)部流動速度矢量、流體壓力及流線等流體參數(shù)的分布規(guī)律。利用CFD技術(shù)將理論予以形象可視化，可以開拓學(xué)生的視野，增加學(xué)生對流體流動的直觀認識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解。

1　數(shù)值計算基礎(chǔ)

無論是在自然界還是在各種工程領(lǐng)域，流體的流動總是存在的，所有這些流動過程都受動量守恒、能量守恒和質(zhì)量守恒等基本定律的支配。這些定律的控制方程均可寫成式（1）的通用形式。式中，φ是通用變量，可以代表各種求解變量如u、v、w、T等；S為廣義源項；為廣義擴散項。式（1）中從左到右依次為瞬態(tài)項、對流項、擴散項和源項。

2　模型建立、網(wǎng)格劃分及邊界條件

借助FLUENT前處理軟件Gambit或ICEM網(wǎng)格劃分軟件完成計算模型的建立和流域的網(wǎng)格劃分。研究過程中選取的突擴計算模型的比例為0.5、突縮模型的收縮比為2.0。計算模型的具體尺寸可以根據(jù)實際情況進行選取。

圖1　幾何模型及網(wǎng)格劃分Fig.1　Geometric model and mesh generation

為獲得突縮、突擴結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動現(xiàn)象數(shù)值模擬，計算過程邊界條件的設(shè)定可以進行多種設(shè)定，根據(jù)FLUENT軟件的要求，計算中計算域的進口采用速度進口邊界條件，出口采用壓力邊界條件，壁面采用絕熱無滑移邊界。

圖2　突縮結(jié)構(gòu)中的流動速度矢量圖Fig.2　Flow velocity vector diagram of sudden contractionstructurein

圖2為空氣在流過突縮結(jié)構(gòu)時的速度變化規(guī)律示意圖，從圖中可以看出流體在流經(jīng)突縮結(jié)構(gòu)時，流體流動速度突然增大，從流體力學(xué)連續(xù)方程可知，滿足流量平衡的條件下，當(dāng)流體截面變小時，速度增加，從計算結(jié)果可以較為清晰地理解這一流體現(xiàn)象。

圖3　突縮結(jié)構(gòu)中靜壓云圖Fig.3　Static pressure cloud chart of sudden contraction structure

圖4　突縮結(jié)構(gòu)中總壓云圖Fig.4　Total pressure cloud chart of sudden contraction structure

3　數(shù)值計算結(jié)果演示

在FLUENT軟件中選取空氣為流動介質(zhì)，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，計算收斂后即可以清楚地觀察突擴突縮結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體運動規(guī)律。

圖3、圖4展示了流體在突縮結(jié)構(gòu)中流動時的靜壓、總壓分布云圖。從云圖中可以看出，流體流經(jīng)突縮結(jié)構(gòu)時，管道內(nèi)的平均靜壓降低，平均動壓升高，總壓下降。在突縮截面轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)了總壓低壓區(qū)，該處流體流動方向突然轉(zhuǎn)變導(dǎo)致壓力梯度變化最大，能量損失最大，可以加深學(xué)生對突縮結(jié)構(gòu)帶來壓力損失的直觀認識。

圖5　突縮結(jié)構(gòu)中速度流線圖Fig.5　Speed motion pattern of sudden contraction structure

圖5是突縮結(jié)構(gòu)中流體速度的流線圖，展示了流體的流動趨勢。可以明顯地觀察到流體在運動至截面拐角處產(chǎn)生了明顯的彎曲顯現(xiàn)，可以幫助同學(xué)們理解流體遇阻轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象的發(fā)生。

同樣，觀察突擴結(jié)構(gòu)可視化示意圖，可以清楚地總結(jié)出流體在突擴結(jié)構(gòu)中的流動趨勢及規(guī)律。

圖6　突擴結(jié)構(gòu)中流動速度矢量圖Fig.6　Flow velocity vector of sudden enlargement structure

從圖6突擴結(jié)構(gòu)中的流動速度矢量圖可以看出，流體流過突擴結(jié)構(gòu)時速度有所降低，且在突擴截面附近產(chǎn)生了較大的速度梯度，同時伴有漩渦的產(chǎn)生。

圖7　突擴結(jié)構(gòu)中流動靜壓云圖Fig.7　 Flow static pressure cloud chart of sudden contraction structure

圖7、圖8給出了突擴截面中的壓力分布規(guī)律，從各種壓力云圖中可以發(fā)現(xiàn)，流體流經(jīng)突擴結(jié)構(gòu)時，靜壓有所升高，動壓下降，總壓下降。在突擴截面附近同樣具有較大的壓力梯度，并且突擴截面附近徑向遠離軸線的位置，各種壓力值均比較低，這是因為在該位置附近產(chǎn)生了回流，回流的產(chǎn)生造成了較大的能量損失。

圖8　突擴結(jié)構(gòu)中流動總壓云圖Fig.8　Flow total pressure cloud chart of sudden contraction structure

圖9　突擴結(jié)構(gòu)中流動速度流線圖Fig.9　Flow velocity motion pattern of sudden contraction structure

圖9突擴結(jié)構(gòu)中流動速度流線圖清晰地展示出了突擴結(jié)構(gòu)中的流線分布，從中可以看到回流區(qū)產(chǎn)生的位置及流體在突擴結(jié)構(gòu)中的流動趨勢。

4　　結(jié)論

流體流經(jīng)突擴突縮管道時，會在管道突擴、突縮截面附近產(chǎn)生較大的速度梯度，壓力梯度，造成較大的能量損失。在流體流經(jīng)圖擴管徑處出現(xiàn)了分離流動并產(chǎn)生了回流區(qū)。

突擴和突縮內(nèi)部的流體流動具有相似性，采用FLUENT流體計算軟件進行仿真計算以及可視化研究可以清晰、形象地展示流體在突擴和突縮管道內(nèi)的流動狀態(tài)及流動規(guī)律，對于學(xué)生更好地理解并掌握流體在其中的抽象流動具有很大的意義。為課堂授課節(jié)省大量時間，并且使課堂授課更加生動、吸引人。開拓學(xué)生視野，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生對抽象流動的直觀認識，加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解。

參考文獻：

［1］謝翠麗，倪玲英.《工程流體力學(xué)》本科課程引入CFD教學(xué)的探討［J］.力學(xué)與實踐，2013，（35）：91-93.

［2］劉麗麗，楊樹人.大學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課——“工程流體力學(xué)”教學(xué)改革探究［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2013，（03）：30-31.

［3］李小川，田萌.“工程流體力學(xué)”教學(xué)調(diào)查研究與改革探索［J］.課程教材改革，2012，（246）：47，55.

［4］張師帥，郭照立.構(gòu)建CFD技術(shù)平臺培養(yǎng)能源動力類本科生的實踐與創(chuàng)新能力［J］.教育教學(xué)論壇，2012，（12）：64-65.

［5］趙琴,楊小林,嚴(yán)敬.CFD技術(shù)在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.高等教育研究，2008，25（1）：28，29.

Application of CFD Software in Visualization Demo of Sudden Enlargement, Sudden Contraction Flow Phenomena

LUAN Yi-gang, SUN Tao, WANG Zhi-tao
(Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract:Sudden enlargement and sudden contraction flow is the the classic flowphenomenonof fluid mechanics,also an important course content of engineering fluid mechanics, it has complex internal flow, accompanied by increased local resistance losses.In the traditional teaching process, the portion of the content is more abstract, which lacksvisual content in the classroom, with the CFD software Fluent that made visualization studies on sudden expansion, flow regularitywithin the structure of sudden contraction flow, this paper vividly showed internal flow regularity, analyzed generation principle of local resistance, in order to improve the effect of the teaching, and enhance students' interests in school.

Key words:Sudden enlargement; Sudden contraction flow; CFD numerical simulation; Visualization

中圖分類號：U171

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-8646（2016）02-0010-03

收稿日期：2015- 12- 05

基金項目：哈爾濱工程大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目（JG2014BYB10）

作者簡介：欒一剛（1981-），男，工學(xué)博士，副教授，主要從事燃氣輪機進排氣系統(tǒng)及高溫葉片冷卻技術(shù)、工程流體力學(xué)教學(xué)研究。