基于CFD的局部损失探讨

　　1　前言

　　Fluent6.0软件是目前国际上较流行的商用CFD软件包,它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能,CFD(Computational Fluid Dy-namics)技术,即计算流体力学技术,随着电子计算机的推广普及和计算方法的新发展,几十年来得到了蓬勃的发展,显示出巨大活力。相对实验研究,数值模拟有其独特的优点:(1)研究成本低;(2)无实验仪器干扰;(3)能获得完整的数据;(4)能将计算结果在计算机屏幕上形象地显现。流体流动经过各种管道构件和管道连接件时,由于流体的相互碰撞和形成漩涡等原因,存在局部能量损失,其损失程度大小可由局部损失系数表示。其中,大多数形状变化是没有解析解的。需要具体的数据,只有通过实验测量的方法。而实验测量耗费大量的人力、物力和财力且实验过程中受各种实验仪器的精度及不稳定状况影响。运用流体计算软件可解决上述的问题。本文通过对圆管内部流场的数值模拟,得到了不同截面比的局部损失系数并得出了圆管内部流场的流线图。

　　2　几何模型和理论分析

　　管道截面突然扩大或突然缩小的圆管,会在主流外截面突然变化处形成涡流区,造成涡流损失,即局部损失(见图1)。涡流区的形状和局部损失的大小随管道大小截面面积不同而变化。管径突然扩大时,局部损失系数有解析解ζ=(1-A1/A2)2;管径突然缩小时,局部损失系数据文献[1]经验值,当A1/A2分别为0·1、0·3、0·5、0·7、0·9时,ξ分别为0·41、0·36、0·26、0·14、0·06。其中,A1/A2均为圆管小截面与大截面面积之比。几何模型是在Auto-CAD2002中形成不同截面比的缩小和扩大图形,导出为·sat格式文件,导入到Gambit软件中进行网格划分和边界条件定义,然后输出为·GRD文件,最后在Fluent6·0中应用import命令导入Fluent4Case进行定义和计算。

　　3　控制方程、湍流模式及边界参数

　　(1)圆管内部流动的控制方程可用Navier-Stokes方程表示

　　式中　dudt———流体质点的加速度;

　　f———作用在微团上单位质量的质量力;

　　-1ρ p———作用在微团上单位质量流体的压强合力;

　　-1ρ (23μ u)———作用在微团上单位质量流体的粘性体积膨胀力

　　1ρ (2μS)———作用在微团上单位质量流体粘性偏应力张量的合力。

　　(2)采用Segregated隐式解,标准k-ε双方程模型,湍流粘度

　　式中　Cμ———常量;

　　k———湍流动能;

　　ε———湍流动能耗散率。