直管水道Fluent模拟使用方法

崔宇翔（四川省盐业学校,四川　自贡643010）

直管水道Fluent模拟使用方法

崔宇翔
（四川省盐业学校,四川自贡643010）

摘要：直管水道是供热系统中很常见的一种形式，水在管道中流动，由于粘滞力的作用，在流动过程中将产生沿程阻力。由于直管水道内断面流速不均匀，其断面平均流速很难准确给出。针对这一问题，我们采用Fluent软件对其进行CFD模拟，研究管道内的速度场，并计算出沿程阻力损失；本文给出模拟仿真的具体步骤，以便让人们更好地掌握Fluent软件。

关键词：Fluent；Gambi t；直管水道；速度分布；沿程阻力损失

1　Fluent简介

Fluent软件是目前市场上最流行的CFD软件，是一个用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象的专用软件，它适用于各种复杂外形的可压和不可压流动计算。

用数值方法模拟一个流场包括网格划分、选择计算方法、选择物理模型、设定边界条件、设定材料属性和对计算结果进行后处理几大部分。对Fluent软件包而言，其完成一个流体流动与传热问题的计算流程是：首先利用Gambit或者其他前处理器完成模拟对象几何结构的建模以及计算网格的生成与划分，然后将网格导入Fluent中进行求解计算，最后对计算结果进行处理和分析。

下面我们采用Fluent软件对直管水道内流场进行CFD数值仿真模拟，以便更好地了解和掌握Fluent软件的使用方法。

2　直管水道数值模拟

2.1建立模型划分网格

2.1.1问题描述

模拟对象是一个圆形直管道，内部工质为水。由于是圆截面管道，在不考虑重力或者假设重力方向与管道轴线方向一致时，该三维流动可以简化为二维轴对称流动问题，简化后的数值模拟区域仅仅是原来管道的一个轴对称剖面。管道总长2m，管半径0.1m，管道足够长，我们一般认为出口已经是充分发展的流动；管中流动的工质为水，常温下密度为1000kg/m3，粘性为0.001kg/(m•s)；假设入口处水流速度0.05m/s。

2.1.2利用Gambit建立计算区域和指定边界条件类型

（1）步骤1文件和创建及其求解器的选择：1）启动Gam b it软件；2）建立新文件。

（2）步骤2建立计算区域：1）创建控制点OperationGeometryVertex；2）创建边OperationGeometryEdge；3）创建面OperationGeometryFace。

（3）步骤3划分网格。网格划分可以先对边进行网格划分，然后是面，再是体；也可以直接对体或者面进行网格划分。对于本论文直通水道内流场，我们选择对面直接进行网格划分，采用默认方式，单元格为四边形，划分方式为分块映射方式，网格间距0.01m。

对于直通水道内流场，选择对Edges进行边界设定。选择水流入口对应的边并设定其边界条件类型为速度入口Velocity-inlet，指定出口的边界条件为充分发展Outflow，指定下边的边界条件为轴对称Axis类型，对其他的所有边指定为Wall。

2.2求解器求解

（1）步骤1Fluent求解器的选择：

本论文所计算的轴对称直通水道是个二维问题，并且对求解的精度要求不高，所以选择二维的单精度求解器2d即可。

（2）步骤2文件导入和网格操作：

由于Gambit中是以mm为单位的，而Fluent中是以m为单位的，所以在X、Y中输入0.001，scale一次。注意，在缩放之后需要在进行一次网格检查，看计算域尺寸是否修改正确了。

Smooth/Swap

（3）步骤3选择计算模型：

对于本论文，默认的压力基求解器就能满足要求。

2）其他计算模型的选定。

对于本论文，由入口速度和特征长度（直径）可以计算出入口雷诺数为9930，流动为湍流，还需要设置湍流模型。D efineM odelsViscous…我们选择k-epsilon双方程模型。对于本论文，我们不需要计算温度场，也不需要设置其他物理模型。

对于本论文，我们不考虑重力，不选择G ravity，其他保持默认即可。

我们需要设置flu id流体区域的物质，in let的边界条件（给出水流入口速度0.1m/s，分别设置湍流强度为5.1%，水力直径0.2m），ou tlet和w all的边界条件保持默认值，固体壁面上采用无滑移条件。

（6）步骤6求解方法的设置及其控制1）求解参数的设置SolveControlsSolutions…对于本论文，接受所有默认设置即可。

设置ComputeForm为in let，即用进口的量对全场进行初始化。

5） 保 存 计 算 后 的 Case和 Data文 件 FileWriteCase&D ata…

2.3 计算结果显示

（2）绘制速度云图

根据数值模拟给出的进出口断面压力P1、P2，按照公式可计算出直通水道的沿程阻力损失hf（Pa）。

3　结论

利用Fluent软件模拟直通水道内流场（定常、不可压缩流动问题，不考虑传热），能够全面反映出流场内部的速度分布情况，从而计算出其沿程阻力损失，而且可以减少设计中的实验次数、节省经费。我们平时遇到的流体流动更加复杂，对于其中不涉及传热的问题，我们均可以按照文中的计算步骤进行模拟求解。

参考文献：

[1]于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京:北京理工大学出版社,2008:118-130.

[2]蔡增基,龙天渝.流体力学泵与风机(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1999:123-126.