CFD软件在突扩、突缩流动现象可视化演示中的应用

栾一刚，孙涛，王志涛（哈尔滨工程大学，哈尔滨150001）



CFD软件在突扩、突缩流动现象可视化演示中的应用

栾一刚，孙涛，王志涛
（哈尔滨工程大学，哈尔滨150001）

摘要：突扩突缩流动是工程流体力学中的经典流动现象，也是工程流体力学中的重要课程内容，其内部流动复杂，伴随着局部阻力损失的增加，在传统授课过程中，该部分内容的讲解较为抽象，在课堂上缺乏形象的展示内容，借助CFD软件Fluent对突扩、突缩结构内的流动规律进行可视化研究，形象地展示内部流动规律，分析局部阻力产生原理，以改善该部分教学内容的效果，增强学生上课兴趣。

关键词：突扩；突缩流；CFD数值模拟；可视化

工程流体力学是研究流体的机械运动规律以及运用这些规律解决工程实际意义的一门学科［1］。从远古时期的治水工程，18世纪造船、航海的兴起，20世纪航空技术的发展，到现在生物技术、环境科学的飞速进步，无不渗透着流体力学的相关理论。工程流体力学课程是热能动力工程、机械工程等相关专业的重要的专业基础课，在高等学校相关专业的培养计划中起着承上启下的作用。该课程的特点是抽象、枯燥、难懂，应用的数学知识较多，大部分学生对学习工程流体力学都有某种程度的畏惧感［2］。

突扩、突缩流动是工程流体力学中的重要学习内容，在这两类流动过程中，存在复杂的流动现象，伴随着较大的局部阻力损失，流体在流过截面突变时的流动分离、流线收敛等重要的流动特点，在传统授课中，主要依靠文字描述，理论公式等方法向学生讲授该部分内容，在课堂上缺乏对流动过程的形象展示。

计算流体动力学（CFD）是以经典理论和数值计算为基础，通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行求解分析，从而达到对流动和传热问题进行研究的目的。CFD技术集中应用了20世纪直至本世纪科学技术方面的最新成就，并具有理论性和实践性的双重特点［3-4］。CFD基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组以获得场变量的近似值［5］。目前全世界已有几十种求解流动与传热问题的商用软件，这其中比较著名的有FLUENT、PHOENICS、STAR- CD、FLOW3D、CFX等，其中尤以FLUENT最为成熟，使用较为广泛。

本文以二维定常不可压缩突扩、突缩流动为例，利用CFD软件FLUENT对内部流动规律进行数值模拟，获得内部流动速度矢量、流体压力及流线等流体参数的分布规律。利用CFD技术将理论予以形象可视化，可以开拓学生的视野，增加学生对流体流动的直观认识，激发学生的学习兴趣，加深学生对基础知识的理解。

1　数值计算基础

无论是在自然界还是在各种工程领域，流体的流动总是存在的，所有这些流动过程都受动量守恒、能量守恒和质量守恒等基本定律的支配。这些定律的控制方程均可写成式（1）的通用形式。式中，φ是通用变量，可以代表各种求解变量如u、v、w、T等；S为广义源项；为广义扩散项。式（1）中从左到右依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。

2　模型建立、网格划分及边界条件

借助FLUENT前处理软件Gambit或ICEM网格划分软件完成计算模型的建立和流域的网格划分。研究过程中选取的突扩计算模型的比例为0.5、突缩模型的收缩比为2.0。计算模型的具体尺寸可以根据实际情况进行选取。

图1　几何模型及网格划分Fig.1　Geometric model and mesh generation

为获得突缩、突扩结构内的流动现象数值模拟，计算过程边界条件的设定可以进行多种设定，根据FLUENT软件的要求，计算中计算域的进口采用速度进口边界条件，出口采用压力边界条件，壁面采用绝热无滑移边界。

图2　突缩结构中的流动速度矢量图Fig.2　Flow velocity vector diagram of sudden contractionstructurein

图2为空气在流过突缩结构时的速度变化规律示意图，从图中可以看出流体在流经突缩结构时，流体流动速度突然增大，从流体力学连续方程可知，满足流量平衡的条件下，当流体截面变小时，速度增加，从计算结果可以较为清晰地理解这一流体现象。

图3　突缩结构中静压云图Fig.3　Static pressure cloud chart of sudden contraction structure

图4　突缩结构中总压云图Fig.4　Total pressure cloud chart of sudden contraction structure

3　数值计算结果演示

在FLUENT软件中选取空气为流动介质，设置相应的边界条件，计算收敛后即可以清楚地观察突扩突缩结构内的流体运动规律。

图3、图4展示了流体在突缩结构中流动时的静压、总压分布云图。从云图中可以看出，流体流经突缩结构时，管道内的平均静压降低，平均动压升高，总压下降。在突缩截面转折处出现了总压低压区，该处流体流动方向突然转变导致压力梯度变化最大，能量损失最大，可以加深学生对突缩结构带来压力损失的直观认识。

图5　突缩结构中速度流线图Fig.5　Speed motion pattern of sudden contraction structure

图5是突缩结构中流体速度的流线图，展示了流体的流动趋势。可以明显地观察到流体在运动至截面拐角处产生了明显的弯曲显现，可以帮助同学们理解流体遇阻转弯现象的发生。

同样，观察突扩结构可视化示意图，可以清楚地总结出流体在突扩结构中的流动趋势及规律。

图6　突扩结构中流动速度矢量图Fig.6　Flow velocity vector of sudden enlargement structure

从图6突扩结构中的流动速度矢量图可以看出，流体流过突扩结构时速度有所降低，且在突扩截面附近产生了较大的速度梯度，同时伴有漩涡的产生。

图7　突扩结构中流动静压云图Fig.7　 Flow static pressure cloud chart of sudden contraction structure

图7、图8给出了突扩截面中的压力分布规律，从各种压力云图中可以发现，流体流经突扩结构时，静压有所升高，动压下降，总压下降。在突扩截面附近同样具有较大的压力梯度，并且突扩截面附近径向远离轴线的位置，各种压力值均比较低，这是因为在该位置附近产生了回流，回流的产生造成了较大的能量损失。

图8　突扩结构中流动总压云图Fig.8　Flow total pressure cloud chart of sudden contraction structure

图9　突扩结构中流动速度流线图Fig.9　Flow velocity motion pattern of sudden contraction structure

图9突扩结构中流动速度流线图清晰地展示出了突扩结构中的流线分布，从中可以看到回流区产生的位置及流体在突扩结构中的流动趋势。

4　　结论

流体流经突扩突缩管道时，会在管道突扩、突缩截面附近产生较大的速度梯度，压力梯度，造成较大的能量损失。在流体流经图扩管径处出现了分离流动并产生了回流区。

突扩和突缩内部的流体流动具有相似性，采用FLUENT流体计算软件进行仿真计算以及可视化研究可以清晰、形象地展示流体在突扩和突缩管道内的流动状态及流动规律，对于学生更好地理解并掌握流体在其中的抽象流动具有很大的意义。为课堂授课节省大量时间，并且使课堂授课更加生动、吸引人。开拓学生视野，提升学生学习兴趣，增加学生对抽象流动的直观认识，加深学生对基础知识的理解。

参考文献：

［1］谢翠丽，倪玲英.《工程流体力学》本科课程引入CFD教学的探讨［J］.力学与实践，2013，（35）：91-93.

［2］刘丽丽，杨树人.大学专业基础课——“工程流体力学”教学改革探究［J］.黑龙江教育（高教研究与评估），2013，（03）：30-31.

［3］李小川，田萌.“工程流体力学”教学调查研究与改革探索［J］.课程教材改革，2012，（246）：47，55.

［4］张师帅，郭照立.构建CFD技术平台培养能源动力类本科生的实践与创新能力［J］.教育教学论坛，2012，（12）：64-65.

［5］赵琴,杨小林,严敬.CFD技术在工程流体力学教学中的应用［J］.高等教育研究，2008，25（1）：28，29.

Application of CFD Software in Visualization Demo of Sudden Enlargement, Sudden Contraction Flow Phenomena

LUAN Yi-gang, SUN Tao, WANG Zhi-tao
(Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract:Sudden enlargement and sudden contraction flow is the the classic flowphenomenonof fluid mechanics,also an important course content of engineering fluid mechanics, it has complex internal flow, accompanied by increased local resistance losses.In the traditional teaching process, the portion of the content is more abstract, which lacksvisual content in the classroom, with the CFD software Fluent that made visualization studies on sudden expansion, flow regularitywithin the structure of sudden contraction flow, this paper vividly showed internal flow regularity, analyzed generation principle of local resistance, in order to improve the effect of the teaching, and enhance students' interests in school.

Key words:Sudden enlargement; Sudden contraction flow; CFD numerical simulation; Visualization

中图分类号：U171

文献标志码：A

文章编号：1674-8646（2016）02-0010-03

收稿日期：2015- 12- 05

基金项目：哈尔滨工程大学教育教学改革研究项目（JG2014BYB10）

作者简介：栾一刚（1981-），男，工学博士，副教授，主要从事燃气轮机进排气系统及高温叶片冷却技术、工程流体力学教学研究。