沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟(计算流体力学作业).doc

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1、计算流体力学课程作业作业题目：沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟学生姓名：易鹏学生学号：专业年级：动力工程及工程热物理12级学院名称：机械与运载工程学院2012年5月2日沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟一、引言沿程损失（pipelinefrictionloss）是指管道内径不变的情况下，管内流体流过一段距离后的水头损失。其中边界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的粘滞性是产生水头损失的内因，也是根本原因。沿程能量损失的计算公式是：。其中：为管长，为沿程损失系数，为管道内径，为单位重力流体的动压头（速度水头），为流体的运动粘度系数。粘性流体在

2、管道中流动时，呈现出两种流动状态，管道中的流速(为层流向湍流转变的临界流速)为层流，此时整个流场呈一簇互相平行的流线。则时为湍流，流场中的流体质点作复杂的无规则的运动。沿程损失与流动状态有关，故计算各种流体通道的沿程损失，必须首先判别流体的流动状态。沿程损失能量损失的计算公式由带粘性的伯努利方程推出，可知，其中：——单位质量流体的动能（速度水头）。流体静止时为0。——单位质量流体的势能（位置水头）。——单位质量流体的压力能（压强水头）。12又由量纲分析的定理，得出，计算出达西摩擦因子，则,由于，，则。关于沿程损失最著名的是尼古拉茨在1932～1933年问

3、所做的实验(右图为实验装置图)。其测得曲线如图1，从此得出了几个重要结论：　1．层流区　Re＜2320为层流区。在该区域内，管壁的相对粗糙度对沿程损失系数没有影响。　2．过渡区2320＜Re＜4000为由层流向湍流的转换区，可能是层流，也可能是湍流，实验数据分散，无一定规律。　3．湍流光滑管区4000＜Re＜26．98（d/ε）8/7，为湍流光滑管区。勃拉修斯（p.Blasius）1911年用解析方法证明了该区沿程损失系数与相对粗糙度无关，只与雷诺数有关，并借助量纲分析得出了4×10e3＜Re＜10e5范围内的勃拉休斯的计算公式为12湍流光滑管的沿程损失

4、系数也可按卡门一普朗特（Karmn-Prandtl）公式进行计算。当105＜Re＜3×106时，尼古拉兹的计算公式为　4．湍流粗糙管过渡区26．98（d/ε）8/7＜Re＜2308（d/ε）0.85为湍流粗糙管过渡区。该区域的沿程损失系数与按洛巴耶夫（Б.H.Лo6aeв）的公式进行计算，即5．湍流粗糙管平方阻力区2308(d/ε)0.85

5、如果考虑圆管的粗糙度也是十分复杂，而且在粗糙表面的流动很难模拟，所以在此我们重点研究湍流水力光滑区的达西摩擦因子与Re的关系。FLUENT中通过改变流速或者粘度系数来控制Re，并进行数值模拟，计算出管中试验段两端的压力的差值，即可得到沿程损失阻力系数（达西摩擦因子），再将所得的值与上图水力光滑区曲线或布拉休斯公式对比，判断其是否正确。1．模型建立一个半径r=21mm，长l=3m的圆截面直管，其中前2m是前置段，用来让湍流充分发展，后1m为实验段。12假设其材料是光滑的，没有摩擦，内部流体为水。设水的ρ为1000，粘度系数μ为0.001。下图就是使用K-e

6、psilon湍流模式试算的velocityinlet后端云图，说明在试验段之前设置前置段还是十分有必要的。使用gambit可以很容易的建模，直接使用cylinder命令建立方案中的模型。但是在此未使用这种方法，由于液体的粘性力作用，在壁面附近有比较大的速度梯度，而且在入口端是湍流发展段，所以需要端面使用边界层网格加密，轴向在入口处加密。具体步骤是：1．做半径为0.021的圆。2．做出x=0.021，y=0，z=5的点，并连接圆上与其对应的两点。3．为该线mesh，选择ratio1.05，让线网格在入口处加密。在此同时将将入口端面的圆分成50等分线网格（数

7、目自定，但是这样已经足够）4．使用sweep命令，选上with12mesh选项，让直线绕圆周旋转成圆柱面，并且将网格自动画好。如右图。5.端面上创建边界层网格，firstpercentage(第一层边界层网格的高度关于宽度的百分比)在这里取了15,rows取5层，Growthfactor取1.1。(注意一个问题，就是在画边界层网格时有个方向选择问题，打开edge的list里面，每个edge其实可以点多次，具体多少次看该edge属于多少个face，通过试验，就可以看到边界层具体会向哪个方向生成)。具体设置如右图。6.为端面直接画面网格，由于之前端面的圆已经

8、分好了网格和边界层网格，不用设定参数gambit自动画网格，完成后如下图。7．在