三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析
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。层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。雷诺数是判别流体流动状态的准则数。本研究用CFD软件来模拟研究三维圆管的紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。
1 物理模型
三维圆管长l?2000mm，直径d?100mm。 流体介质：水，其运动粘度系数??1?10m/s。 Inlet：流速入口，?1?0.005m/s，?2?0.1m/s Outlet：压强出口
Wall：光滑壁面，无滑移
?622 在ICEM CFD中建立模型
2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry
2.2 做Blocking
因为截面为圆形，故需做“O”型网格。
2.3 划分网格mesh
注意检查网格质量。
在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图
因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图
2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件
3 数值模拟原理
紊流流动
当以水流以流速?2?0.1m/s，从Inlet方向流入圆管，可计算出雷诺数Re?流动为紊流。
υd?10000，故圆管内ν假设水的粘性为常数（运动粘度系数??1?10m/s）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程?62如下：
①质量守恒方程：
???(?u)?(?v?t??x?)?y??(?w)?z?0 ②动量守恒方程：
?(?u)?t??(?uu)?x??(?uv)?y??(?uw)?z???x(??u??u??u
?x)??y(??y)??z(??z) ?[??(?u?2)?(?u?v?)?(?u?w?)?p?x??y??z]??x?(?v) ?t??(?vu)?x??(?vv)?y??(?vw)?z???x(??v?x)???y(??v?y)???v?z(??z)2 ?[??(?u?v?)?(?x??v?)?y??(?v?w?)?z]??p?y?(?w)?t??(?wu)?x??(?wv)?y??(?ww)?z???x(??w?x)???y(??w?y)???z(??w
?z)?[??(?u?w?)?(?v?w?)?(?w?2 ?x??y?)?z]??p?z③湍动能方程：
?(?k)??k??k
?t??(?ku)?x??(?kv)?y??(?kw)?z???x[(??t?))]??[(??t))]k?x?y?k?y ???z[(???t?)?k)]?Gk???k?z④湍能耗散率方程：
?(??)??(??u)?(??v)?(??w)????????
?x??y??z??x[(??t?))]?[(??t?t))]k?x?y?k?y??2 ??z[(??t?)??)]?C1??G?k?C2??k?zkk式中，?为密度，u、?、w是流速矢量在x、y和z方向的分量，p为流体微元体上的压强。
方程求解：采用双精度求解器，定常流动，标准k??模型，SIMPLEC算法。
4 在FLUENT中求解计算紊流流动
4.1 FLUENT设置
除以下设置为紊流所必须设置的外，其余选项和层流相同，不再详述。
(0-1)
(0-2)
(0-3)
(0-4)
(0-5)
(0-6)
①Viscous设置 雷诺数Re?υd故圆管内流动为紊流，Viscous设置为Realizable K-epsilon模型，其余默认。 ?10000，
ν
②Boundary设置
Inlet设置为速度入口，为?2?0.1m/s，Turbulence设置为Intensity and Hydraulic Diameter方法，即
Outlet设置为自由出口Outflow，如设置成压力出口，则之后计算会存在问题（已验证）。
FLUENT算例 (3)三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析
