CFD軟件在突擴、突縮流動現象可視化演示中的應用

欒一剛，孫濤，王志濤（哈爾濱工程大學，哈爾濱150001）

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CFD軟件在突擴、突縮流動現象可視化演示中的應用

欒一剛，孫濤，王志濤
（哈爾濱工程大學，哈爾濱150001）

摘要：突擴突縮流動是工程流體力學中的經典流動現象，也是工程流體力學中的重要課程內容，其內部流動復雜，伴隨著局部阻力損失的增加，在傳統授課過程中，該部分內容的講解較為抽象，在課堂上缺乏形象的展示內容，借助CFD軟件Fluent對突擴、突縮結構內的流動規律進行可視化研究，形象地展示內部流動規律，分析局部阻力產生原理，以改善該部分教學內容的效果，增強學生上課興趣。

關鍵詞：突擴；突縮流；CFD數值模擬；可視化

工程流體力學是研究流體的機械運動規律以及運用這些規律解決工程實際意義的一門學科［1］。從遠古時期的治水工程，18世紀造船、航海的興起，20世紀航空技術的發展，到現在生物技術、環境科學的飛速進步，無不滲透著流體力學的相關理論。工程流體力學課程是熱能動力工程、機械工程等相關專業的重要的專業基礎課，在高等學校相關專業的培養計劃中起著承上啟下的作用。該課程的特點是抽象、枯燥、難懂，應用的數學知識較多，大部分學生對學習工程流體力學都有某種程度的畏懼感［2］。

突擴、突縮流動是工程流體力學中的重要學習內容，在這兩類流動過程中，存在復雜的流動現象，伴隨著較大的局部阻力損失，流體在流過截面突變時的流動分離、流線收斂等重要的流動特點，在傳統授課中，主要依靠文字描述，理論公式等方法向學生講授該部分內容，在課堂上缺乏對流動過程的形象展示。

計算流體動力學（CFD）是以經典理論和數值計算為基礎，通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統進行求解分析，從而達到對流動和傳熱問題進行研究的目的。CFD技術集中應用了20世紀直至本世紀科學技術方面的最新成就，并具有理論性和實踐性的雙重特點［3-4］。CFD基本思想可以歸結為：把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間的代數方程組，然后求解代數方程組以獲得場變量的近似值［5］。目前全世界已有幾十種求解流動與傳熱問題的商用軟件，這其中比較著名的有FLUENT、PHOENICS、STAR- CD、FLOW3D、CFX等，其中尤以FLUENT最為成熟，使用較為廣泛。

本文以二維定常不可壓縮突擴、突縮流動為例，利用CFD軟件FLUENT對內部流動規律進行數值模擬，獲得內部流動速度矢量、流體壓力及流線等流體參數的分布規律。利用CFD技術將理論予以形象可視化，可以開拓學生的視野，增加學生對流體流動的直觀認識，激發學生的學習興趣，加深學生對基礎知識的理解。

1　數值計算基礎

無論是在自然界還是在各種工程領域，流體的流動總是存在的，所有這些流動過程都受動量守恒、能量守恒和質量守恒等基本定律的支配。這些定律的控制方程均可寫成式（1）的通用形式。式中，φ是通用變量，可以代表各種求解變量如u、v、w、T等；S為廣義源項；為廣義擴散項。式（1）中從左到右依次為瞬態項、對流項、擴散項和源項。

2　模型建立、網格劃分及邊界條件

借助FLUENT前處理軟件Gambit或ICEM網格劃分軟件完成計算模型的建立和流域的網格劃分。研究過程中選取的突擴計算模型的比例為0.5、突縮模型的收縮比為2.0。計算模型的具體尺寸可以根據實際情況進行選取。

圖1　幾何模型及網格劃分Fig.1　Geometric model and mesh generation

為獲得突縮、突擴結構內的流動現象數值模擬，計算過程邊界條件的設定可以進行多種設定，根據FLUENT軟件的要求，計算中計算域的進口采用速度進口邊界條件，出口采用壓力邊界條件，壁面采用絕熱無滑移邊界。

圖2　突縮結構中的流動速度矢量圖Fig.2　Flow velocity vector diagram of sudden contractionstructurein

圖2為空氣在流過突縮結構時的速度變化規律示意圖，從圖中可以看出流體在流經突縮結構時，流體流動速度突然增大，從流體力學連續方程可知，滿足流量平衡的條件下，當流體截面變小時，速度增加，從計算結果可以較為清晰地理解這一流體現象。

圖3　突縮結構中靜壓云圖Fig.3　Static pressure cloud chart of sudden contraction structure

圖4　突縮結構中總壓云圖Fig.4　Total pressure cloud chart of sudden contraction structure

3　數值計算結果演示

在FLUENT軟件中選取空氣為流動介質，設置相應的邊界條件，計算收斂后即可以清楚地觀察突擴突縮結構內的流體運動規律。

圖3、圖4展示了流體在突縮結構中流動時的靜壓、總壓分布云圖。從云圖中可以看出，流體流經突縮結構時，管道內的平均靜壓降低，平均動壓升高，總壓下降。在突縮截面轉折處出現了總壓低壓區，該處流體流動方向突然轉變導致壓力梯度變化最大，能量損失最大，可以加深學生對突縮結構帶來壓力損失的直觀認識。

圖5　突縮結構中速度流線圖Fig.5　Speed motion pattern of sudden contraction structure

圖5是突縮結構中流體速度的流線圖，展示了流體的流動趨勢?？梢悦黠@地觀察到流體在運動至截面拐角處產生了明顯的彎曲顯現，可以幫助同學們理解流體遇阻轉彎現象的發生。

同樣，觀察突擴結構可視化示意圖，可以清楚地總結出流體在突擴結構中的流動趨勢及規律。

圖6　突擴結構中流動速度矢量圖Fig.6　Flow velocity vector of sudden enlargement structure

從圖6突擴結構中的流動速度矢量圖可以看出，流體流過突擴結構時速度有所降低，且在突擴截面附近產生了較大的速度梯度，同時伴有漩渦的產生。

圖7　突擴結構中流動靜壓云圖Fig.7　 Flow static pressure cloud chart of sudden contraction structure

圖7、圖8給出了突擴截面中的壓力分布規律，從各種壓力云圖中可以發現，流體流經突擴結構時，靜壓有所升高，動壓下降，總壓下降。在突擴截面附近同樣具有較大的壓力梯度，并且突擴截面附近徑向遠離軸線的位置，各種壓力值均比較低，這是因為在該位置附近產生了回流，回流的產生造成了較大的能量損失。

圖8　突擴結構中流動總壓云圖Fig.8　Flow total pressure cloud chart of sudden contraction structure

圖9　突擴結構中流動速度流線圖Fig.9　Flow velocity motion pattern of sudden contraction structure

圖9突擴結構中流動速度流線圖清晰地展示出了突擴結構中的流線分布，從中可以看到回流區產生的位置及流體在突擴結構中的流動趨勢。

4　　結論

流體流經突擴突縮管道時，會在管道突擴、突縮截面附近產生較大的速度梯度，壓力梯度，造成較大的能量損失。在流體流經圖擴管徑處出現了分離流動并產生了回流區。

突擴和突縮內部的流體流動具有相似性，采用FLUENT流體計算軟件進行仿真計算以及可視化研究可以清晰、形象地展示流體在突擴和突縮管道內的流動狀態及流動規律，對于學生更好地理解并掌握流體在其中的抽象流動具有很大的意義。為課堂授課節省大量時間，并且使課堂授課更加生動、吸引人。開拓學生視野，提升學生學習興趣，增加學生對抽象流動的直觀認識，加深學生對基礎知識的理解。

參考文獻：

［1］謝翠麗，倪玲英.《工程流體力學》本科課程引入CFD教學的探討［J］.力學與實踐，2013，（35）：91-93.

［2］劉麗麗，楊樹人.大學專業基礎課——“工程流體力學”教學改革探究［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2013，（03）：30-31.

［3］李小川，田萌.“工程流體力學”教學調查研究與改革探索［J］.課程教材改革，2012，（246）：47，55.

［4］張師帥，郭照立.構建CFD技術平臺培養能源動力類本科生的實踐與創新能力［J］.教育教學論壇，2012，（12）：64-65.

［5］趙琴,楊小林,嚴敬.CFD技術在工程流體力學教學中的應用［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

中圖分類號：U171

文獻標志碼：A

文章編號：1674-8646（2016）02-0010-03

收稿日期：2015- 12- 05

基金項目：哈爾濱工程大學教育教學改革研究項目（JG2014BYB10）

作者簡介：欒一剛（1981-），男，工學博士，副教授，主要從事燃氣輪機進排氣系統及高溫葉片冷卻技術、工程流體力學教學研究。