FLUENT分析圆管弯头段的三维流动.doc

用FLUENT分析圆管弯头段的三维流动

摘要：简要介绍了Fluent的组成部分和使用步骤，并通过Fluent对黏性流体通过圆管弯头段的三维流动经典案例分析，介绍了用Fluent分析解决实际问题的具体过程，说明了用Fluent分析流体力学的可行性，从而为解决其它复杂流体问题的优化分析提供了新的方法和科学依据。
关键词： Fluent ； 圆管弯头；三维流动

1概述
CFD(计算流体力学)是应用数学方法描述物理和化学现象的一种数据模型模拟工具。Fluent是目前国际上通用的商业CFD(计算流体动力学)软件包，在国际CFD市场上占主导地位，只要涉及流体、热传递及化学反应等工程问题，都可用Fluent进行解算。Fluent[1I是用于计算复杂几何条件下流动和传热问题的程序。它提供的无结构网格生成程序．把计算相对复杂的几何结构问题变得容易和轻松。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格。三维的四面体、六面体及混合网格。
2 Fluent程序组成部分和求解步骤
Fluent软件包由以下三部分组成：前处理器：Gambit用于网格生成．是具有强大组合建构模型能力的专用CFD前处理器：求解器是流体计算的核心．可对基于结构化或非结构化网格进行求解：后处理器具有强大的后处理功能。
求解步骤：①确定几何形状，生成计算网格(用Gambit，也可以读入其它指定程序生成的网格)；②选择2D或3D来模拟计算；③输入网格；④检查网格；⑤选择解法器；⑥选择求解的方程，层流或湍流(或无粘流)、化学组分或化学反应、传热模型等；确定其它需要的模型：如风扇、热交换器、多孔介质等模型；⑦确定流体物性；⑧指定边界条件；⑨条件计算控制参数；⑩流场初始化；⑩计算；⑩检查结果：⑩保存结果，后处理等。

3 圆管弯头段的三维流动分析实例
1）问题描述
水在一个直径为100mm的管道内以平均速度v=1m/s流动，经过一个等径的90度弯头后进入等径的圆形管道结构，如图1所示。对流动过程进行数值模拟计算，并分析弯管的局部损失。
图1 管路结构图

2）利用GAMBIT建立圆形弯管道计算模型
首先分别创建圆环和立方体并通过布尔交运算得到管道的弯头，然后再建立直管段来创建圆形玩管道，如图1所示。
设置边界层网格，如图2所示；划分面网格如图3所示；划分体网格如图4所示。

图2边界层网格 图3入口端面网格 图4管道网格图
3）利用FLUENT 3d求解器进行求解
首先启动FLUENT 3d求解器，读入网格文件；然后依次设置湍流模型、设置边界条件、设置求解控制参数等等；最后设置残差监视器并设置最大迭代次数为100，经过58次迭代计算，残差达到收敛标准，残差监测曲线如图5所示。

图5残差监测曲线
4）利用FLUENT进行计算结果的后处理
⑴管道受到的水流作用力，沿X轴向和Y轴向的水流冲击力分别如图6和图7所示。

图6 沿X向作用力报告

图7沿X向作用力报告
⑵ 绘制压力分布云图和速度分布云图，如图8和图9所示.

图8 压力分布云图 图9 速度分布云图
⑶ 显示速度矢量图
分别选择平面Z=0 和y=0的速度矢量图如图10和图11所示；并创建与YZ平面夹角为-45度的平面的速度矢量图，即为弯道截面上的速度矢量图，如图12所示。
⑷ 显示流体质点轨迹图，如图13所示。

图10 Z=0面的速度矢量图 图11 y=0面的速度矢量图

图12 45度截面的速度矢量图 图13 流体质点轨迹图
⑸ 弯头的阻力损失 如图14所示。

图14弯头的阻力损失
由图10对话框可知，x=0和y=0平面上的面积加权平均压强分别为768.399Pa和929.657Pa。
⑹ 弯头的流动损失
（ⅰ）水头损失 mH2O
（ⅱ）弯头的局部损失系数
4 结语
本文利用FLUENT的三维流动的数值模拟计算功能，针对圆管弯头段的三维流动过程进行数值模拟计算，并分析计算出了弯管的局部损失。通过对本经典实例的实际操作分析，使得我对FLUENT软件的操作过程有了系统的掌握，对FLUENT软件分析流体力学的优越性有了亲身的体会，并为今后的学习和解决复杂问题奠定了基础。

参考文献
[1] 韩占忠.王敬.兰小平 FLUENT流体工程仿真计算实例与应用 2010．
[2] 胡玉仙．基于FLUENT软件的泵站进出水流道流动模拟研究． 2004．
[3] 许承宣 工程流体力学 1998．
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