《沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟计算报告 李济然》由会员分享，可在线阅读，更多相关《沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟计算报告 李济然（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、沿程损失阻力系数工程力学2007级李济然 20071210114沿程损失水流流动过程中，由于固体壁面的阻滞作用而引起的摩 擦阻力所造成的水头损失。流体流动中为克服摩擦阻力而损耗的能量 称为沿程损失。沿程阻力损失与长度、粗糙度及流速的平方成正比， 而与管径成反比，沿程能量损失的计算公式是:h 二入 V2/(2dg)r其中：1为管长，九为沿程损失系数，d为管道内径，v2(2g)为单位重力流体的动压头(速度水头)，v为流体的运动粘度系数。沿程损失能量损失的计算公式由带粘性的伯努利方程:v 2/(2g)+p /(pg)+z =v 2/(2g)+p /(pg)+z +h1 1 1 2 2 2 f推出:h
2、 = (p -p )/ (p g)f 1 2其中：v22/(2g)单位质量流体的动能(速度水头)。流体静止时为0。Z 单位质量流体的势能(位置水头)。p/(pg)单位质量流体的压力能(压强水头)。又由量纲分析的“定理，得出Ap/(p V2/2) =入L/d,计算出达西摩擦因子入=2Apd/(LpV2),贝 Ijh二入 LV2/(2gD)入二f(Re )由于 fdRe=Vd/v和v二 u/p，贝入二f(Re )d湍流光滑管的沿程损失系数按卡门一普朗特(Karmn-Prandtl) 公式：1/ 入 i/2=2lg(Re 入 i/2)-0.8当105VReV3X106时，尼古拉兹的计算公式为：入=0
3、.0032+0.221Re-0.2371. 湍流粗糙管过渡区：26. 98 (d/e) 8/7VReV2308 (d/) 0.85为湍流粗糙管过渡区。该区域的沿程损失系数与按洛巴耶夫 (E.H.刀o6aeB )的公式进行计算，即入二 1.42lg(dRe/ e)-2=1.42lg(1.273qv/v e)-22 .湍流粗糙管平方阻力区:2308(d/ e )0.85Re为湍流粗糙管平 方阻力区。沿程损失系数与雷诺数无关，只与相对粗糙度有关。平方 阻力区的沿程能量损失可按尼占拉兹公式：1/入 i/2=2lg(d/2 e )+1.74关于沿程损失最著名的是尼古拉茨在19321933年问所做的实 验
4、(右图为实验装置图)。其测得曲线，从此得出了几个重要结论：1.层流区:ReV2320为层流区。在该区域内，管壁的相对粗吏糙度对沿程损失系数没有影响。1-TJ-12. 过渡区：2320VReV4000为由层流向湍流的转换区，可能 是层流，也可能是湍流，实验数据分散，无一定规律，如图中的区域 所示。3. 湍流光滑管区:4000VReV26,98 (d/e) 8/7,为湍流光滑管 区。勃拉修斯(p.Blasius) 1911年用解析方法证明了该区沿程损失 系数与相对粗糙度无关,只与雷诺数有关,并借助量纲分析得出了4 X 10e3VReV10e5范围内的勃拉休斯的计算公式为入=0.3164/Reo.2
5、5二实验目的:1、测量管道两端压差AP2、应用粘性的伯努利方程，求出管道的沿程能量损失hf3、根椐hf=入lv2/(2gd),求出入值，并绘出入-f (Red)曲线。三实验原理:由连通器原理，在管道上安装一根U形管，U形管两端与测压孔连 通，U形管中间有一阀门3与大气相通(见装置图)，将要测量之溶液 注入U形管内，首先打开阀门3,用泵将管道中空气排出后，然后关闭 阀门3。U形管内溶液的密度p为已知，当管道两端测压孔处存在压差 时，U形管中的二液面将有高差Ah，由此，根据水静力学基本方程 Ap = p gAh，由测出的高差Ah，可求出管道两端测压孔处的压差AP。四 实验装置图五 实验过程1、打开
6、水伐，将水箱放满水，打开管路中的阀门一和阀门二， 然后再打开泵的电源开关，检查整个实验装置水路是否畅通。2、当实验装置水路稳定后，再利用阀门三将U形管中的气体排 出，随后观察 U 形管中之液面的变化。3、计录U形管中两端的水压差高度h。并记入记录表格。测读时应尽量减少误差。4、记录表格入1为布拉休斯解Q (m3/h)RevhAP入入1误差4.14290230.83010.045440.560.01790.024226.07%4.26298640.85410.041401.40.01540.024135.93%4.53317570.90830.045440.560.0150.023736.85%
7、4.76333690.95440.049479.720.01480.023436.94%5.08356131.01850.060587.410.01590.023031.09%5.40378561.08270.066646.150.01540.022731.89%5.56389781.11480.069675.520.01520.022532.34%5.85410111.17290.1751713.30.03490.0222-56.99%6.12429041.22700.1771732.90.03230.022-46.73%管径 d=42mm 管长 L=3000mm 卩=0.0012kg/m*
8、s P =999kg/m3六 计算模型：研究湍流水力光滑区的达西摩擦因子与 Re 的关系。在 FLUENT 中通过改变流速或者粘度系数控制Re,并进行数值模拟，从而计算 出管中试验段两端的压力的差值，即可得到沿程损失阻力系数，再将 所得的值与水力光滑区曲线对比，判断其是否正确。模型:建立一个半径r=21mm，长l=5m的圆截面直管，其中前加 是前置段，用来让湍流充分发展，后3m为实验段。假设其材料是光 滑的，没有摩擦，内部流体为水。设水的P为1000kg/m 3，粘度系数 卩为0.001 kg/(m*s)。左图就是试算的velocity inlet后端v y云图， 说明在试验段之前设置前置段还
9、是十分有必要的。由于液体的粘性力作用，在壁面附近有比较大的速度梯度，而且在入口端是湍流发展段，所以需要端面使用边界层网格加密，轴向在入口处加密。具体步骤是：1做半径为0.22的圆。2. 做出x=0.022, y=0, z=5的点，并连接圆上与其对应的两点。3. 为该线 line mesh，选择 ratio 1.04, 让网格在圆附近加密。在此同时将将端面的 圆分成60等分线网格。4使用 sweep 命令，选上 with mesh 选项，让直线绕圆周旋转成圆柱面，并且将 网格自动画好。5. 端面上创建边界层网格，first percentage在这里取了 14,rows 取 5 层。6. 为端面
10、直接画面网格，由于之前端面的圆已经分好了网格和 边界层网格，不用设定参数gambit自动画网格，完成后如下图。7. 在生成体的选项中选择sweep，勾选with mesh选项，让圆 端面沿管轴线方向扫过，即可完成体网格的绘制。8. 最后选择求解器（solver） Fluent 5/6，设置入口、壁面和 出口。注意：在画边界层网格时有个方向选择问题，打开edge的list里面，每个edge其实可以点多次，具体多 少次看该edge属于多少个face，通过试验，就可以看到边界层具体会向哪个方向生成。七 数值模拟及数据处理由于光滑圆管，则达西摩擦因子入只是Re的函数。Re2000 时才进入湍流状态，并
11、且在2000Re4000 时，为层流向湍流过渡区。为了更好的与尼古拉茨试验的比对，选择 Re =3*103105 内的 10 个值 3500、4000、4500、5000、 d6000、7000、9000、12000、15000、20000 作为入口的 Re，具体的Re 需模拟后才能得出，再将这几个数值作出曲线和误差分析。d使用 ANSYS12.0 中的 Fluent 作为流场模拟的软件，在这里圆管属于细长结构中的流动用双精度模式模拟精确一些。准备使用 k-epsilon和S-A湍流模式分别计算。Re为入口雷诺数，v为入口速度，p是试验段起始端的压力， in1p是试验段结束端的压力。Re为实验
12、段起始处雷诺数。入和入分别2d12为模拟算出的达西摩擦因子和用布拉休斯公式算出的达西摩擦因子。标准 k-epsilon 在壁面区使用了不够精确的近壁函数的半经验 公式，以及工况中流场为层流向湍流的过度区都有可能导致误差过 大。将FLUENT中对K-epsilon做修改（见附录二）。再通过此表数据作出拟合曲线与布拉休斯公式的解对比，分析误差。增强壁面函数的K-epsilon湍流模式计算结果ReVp1p2九九误差in35000.0833-10.265813-14.50577110.05131320.04117424.76%40000.0952-12.627162-17.8702130.048533
13、0.03973422.14%45000.1071-15.308632-21.6446560.0464340.03868720.10%50000.119-18.074271-25.5914230.0445940.03762318.50%60000.1428-24.361341-34.5087250.0418240.03534516.26%70000.1666-31.505652-44.6561340.0397530.03452415.05%90000.2142-48. 221476-68.5353430.0371230.03245614.48%120000.2856-79.798474-113.
14、6484120.0345320.03056615.30%150000.357-119.07143-170.061420.0336540.02835417.54%200000.476-190.21973-271.879770.0302340.02667613.78%对比标准k-epsilon的精度高多了，但是仍然不够精确。如果将网格划分得更精细些，将更好的控制误差。S-A湍流模式计算ReVp1p2九九误差in35000.0833-8.285567-18.9896110.04319320.0411365.00%40000.0952-10.27976-23.637470.0412680.0397853.73%45000.1071-12.46471-28.738870.0397260.0386312.84
