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1、 111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
2、、动量守恒方程、能量守恒方程以及 方k程 ，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1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 e
3、ngineering 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
4、 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, mom
5、entum 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 fl
6、ow 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 .
7、Keywords: Fluent; Smooth pipe; Turbulent flow; Laminar flow; Reynolds number；Numerical simulation 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 .32.1 FLUENT 简介 .32.2 FLUENT 的计算过程 .52.3 控制方程 .63 在 GAMBIT 建立中模型 .93.1 直圆管 .93.2 90 度弯管 .104 在 FLUENT 中求解计算层流流动 .114.1 FLUENT 的参数设置 .114.
8、2 直圆管层流计算结果及分析 .124.3 90 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 .255.1 FLUENT 参数设置 .265.2 直圆管紊流计算结果及分析 .265.3 90 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
9、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
10、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 ，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4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
11、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 页差分法和谱方法等 。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7捩的直接数值模拟之中，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
