崔宇翔（四川省鹽業(yè)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(yè)學校,四川自貢643010）

摘要：直管水道是供熱系統(tǒng)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(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(nèi)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(guān)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(qū)域內(nèi)的流體流動與傳熱現(xiàn)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(shù)值方法模擬一個流場包括網(wǎng)格劃分、選擇計算方法、選擇物理模型、設(shè)定邊界條件、設(shè)定材料屬性和對計算結(jié)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(jié)構(gòu)的建模以及計算網(wǎng)格的生成與劃分，然后將網(wǎng)格導入Fluent中進行求解計算，最后對計算結(jié)果進行處理和分析。

下面我們采用Fluent軟件對直管水道內(nèi)流場進行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問題描述

模擬對象是一個圓形直管道，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，該三維流動可以簡化為二維軸對稱流動問題，簡化后的數(shù)值模擬區(qū)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(jīng)是充分發(fā)展的流動；管中流動的工質(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建立計算區(qū)域和指定邊界條件類型

（1）步驟1文件和創(chuàng)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(qū)域：1）創(chuàng)建控制點OperationGeometryVertex；2）創(chuàng)建邊OperationGeometryEdge；3）創(chuàng)建面OperationGeometryFace。

（3）步驟3劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分可以先對邊進行網(wǎng)格劃分，然后是面，再是體；也可以直接對體或者面進行網(wǎng)格劃分。對于本論文直通水道內(nèi)流場，我們選擇對面直接進行網(wǎng)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(wǎng)格間距0.01m。

對于直通水道內(nèi)流場，選擇對Edges進行邊界設(shè)定。選擇水流入口對應(yīng)的邊并設(shè)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(fā)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(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行一次網(wǎng)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(shù)為9930，流動為湍流，還需要設(shè)置湍流模型。D efineM odelsViscous…我們選擇k-epsilon雙方程模型。對于本論文，我們不需要計算溫度場，也不需要設(shè)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(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(shè)置及其控制1）求解參數(shù)的設(shè)置SolveControlsSolutions…對于本論文，接受所有默認設(shè)置即可。

設(shè)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(jié)果顯示

（2）繪制速度云圖

根據(jù)數(shù)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(jié)論

利用Fluent軟件模擬直通水道內(nèi)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(nèi)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(shè)計中的實驗次數(shù)、節(jié)省經(jīng)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?zhí)煊?流體力學泵與風機(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999:123-126.