CFD軟件在突擴(kuò)、突縮流動(dòng)現(xiàn)象可視化演示中的應(yīng)用

欒一剛，孫濤，王志濤（哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001）

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CFD軟件在突擴(kuò)、突縮流動(dòng)現(xiàn)象可視化演示中的應(yīng)用

欒一剛，孫濤，王志濤
（哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱150001）

摘要：突擴(kuò)突縮流動(dòng)是工程流體力學(xué)中的經(jīng)典流動(dòng)現(xiàn)象，也是工程流體力學(xué)中的重要課程內(nèi)容，其內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，伴隨著局部阻力損失的增加，在傳統(tǒng)授課過(guò)程中，該部分內(nèi)容的講解較為抽象，在課堂上缺乏形象的展示內(nèi)容，借助CFD軟件Fluent對(duì)突擴(kuò)、突縮結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行可視化研究，形象地展示內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，分析局部阻力產(chǎn)生原理，以改善該部分教學(xué)內(nèi)容的效果，增強(qiáng)學(xué)生上課興趣。

關(guān)鍵詞：突擴(kuò)；突縮流；CFD數(shù)值模擬；可視化

工程流體力學(xué)是研究流體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及運(yùn)用這些規(guī)律解決工程實(shí)際意義的一門學(xué)科［1］。從遠(yuǎn)古時(shí)期的治水工程，18世紀(jì)造船、航海的興起，20世紀(jì)航空技術(shù)的發(fā)展，到現(xiàn)在生物技術(shù)、環(huán)境科學(xué)的飛速進(jìn)步，無(wú)不滲透著流體力學(xué)的相關(guān)理論。工程流體力學(xué)課程是熱能動(dòng)力工程、機(jī)械工程等相關(guān)專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃中起著承上啟下的作用。該課程的特點(diǎn)是抽象、枯燥、難懂，應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識(shí)較多，大部分學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)工程流體力學(xué)都有某種程度的畏懼感［2］。

突擴(kuò)、突縮流動(dòng)是工程流體力學(xué)中的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，在這兩類流動(dòng)過(guò)程中，存在復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，伴隨著較大的局部阻力損失，流體在流過(guò)截面突變時(shí)的流動(dòng)分離、流線收斂等重要的流動(dòng)特點(diǎn)，在傳統(tǒng)授課中，主要依靠文字描述，理論公式等方法向?qū)W生講授該部分內(nèi)容，在課堂上缺乏對(duì)流動(dòng)過(guò)程的形象展示。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是以經(jīng)典理論和數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行求解分析，從而達(dá)到對(duì)流動(dòng)和傳熱問(wèn)題進(jìn)行研究的目的。CFD技術(shù)集中應(yīng)用了20世紀(jì)直至本世紀(jì)科學(xué)技術(shù)方面的最新成就，并具有理論性和實(shí)踐性的雙重特點(diǎn)［3-4］。CFD基本思想可以歸結(jié)為：把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組以獲得場(chǎng)變量的近似值［5］。目前全世界已有幾十種求解流動(dòng)與傳熱問(wèn)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(kuò)、突縮流動(dòng)為例，利用CFD軟件FLUENT對(duì)內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得內(nèi)部流動(dòng)速度矢量、流體壓力及流線等流體參數(shù)的分布規(guī)律。利用CFD技術(shù)將理論予以形象可視化，可以開拓學(xué)生的視野，增加學(xué)生對(duì)流體流動(dòng)的直觀認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。

1　數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)

無(wú)論是在自然界還是在各種工程領(lǐng)域，流體的流動(dòng)總是存在的，所有這些流動(dòng)過(guò)程都受動(dòng)量守恒、能量守恒和質(zhì)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(xiàng)；為廣義擴(kuò)散項(xiàng)。式（1）中從左到右依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。

2　模型建立、網(wǎng)格劃分及邊界條件

借助FLUENT前處理軟件Gambit或ICEM網(wǎng)格劃分軟件完成計(jì)算模型的建立和流域的網(wǎng)格劃分。研究過(guò)程中選取的突擴(kuò)計(jì)算模型的比例為0.5、突縮模型的收縮比為2.0。計(jì)算模型的具體尺寸可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。

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

為獲得突縮、突擴(kuò)結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象數(shù)值模擬，計(jì)算過(guò)程邊界條件的設(shè)定可以進(jìn)行多種設(shè)定，根據(jù)FLUENT軟件的要求，計(jì)算中計(jì)算域的進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件，出口采用壓力邊界條件，壁面采用絕熱無(wú)滑移邊界。

圖2　突縮結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)速度矢量圖Fig.2　Flow velocity vector diagram of sudden contractionstructurein

圖2為空氣在流過(guò)突縮結(jié)構(gòu)時(shí)的速度變化規(guī)律示意圖，從圖中可以看出流體在流經(jīng)突縮結(jié)構(gòu)時(shí)，流體流動(dòng)速度突然增大，從流體力學(xué)連續(xù)方程可知，滿足流量平衡的條件下，當(dāng)流體截面變小時(shí)，速度增加，從計(jì)算結(jié)果可以較為清晰地理解這一流體現(xiàn)象。

圖3　突縮結(jié)構(gòu)中靜壓云圖Fig.3　Static pressure cloud chart of sudden contraction structure

圖4　突縮結(jié)構(gòu)中總壓云圖Fig.4　Total pressure cloud chart of sudden contraction structure

3　數(shù)值計(jì)算結(jié)果演示

在FLUENT軟件中選取空氣為流動(dòng)介質(zhì)，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，計(jì)算收斂后即可以清楚地觀察突擴(kuò)突縮結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖3、圖4展示了流體在突縮結(jié)構(gòu)中流動(dòng)時(shí)的靜壓、總壓分布云圖。從云圖中可以看出，流體流經(jīng)突縮結(jié)構(gòu)時(shí)，管道內(nèi)的平均靜壓降低，平均動(dòng)壓升高，總壓下降。在突縮截面轉(zhuǎn)折處出現(xiàn)了總壓低壓區(qū)，該處流體流動(dòng)方向突然轉(zhuǎn)變導(dǎo)致壓力梯度變化最大，能量損失最大，可以加深學(xué)生對(duì)突縮結(jié)構(gòu)帶來(lái)壓力損失的直觀認(rèn)識(shí)。

圖5　突縮結(jié)構(gòu)中速度流線圖Fig.5　Speed motion pattern of sudden contraction structure

圖5是突縮結(jié)構(gòu)中流體速度的流線圖，展示了流體的流動(dòng)趨勢(shì)。可以明顯地觀察到流體在運(yùn)動(dòng)至截面拐角處產(chǎn)生了明顯的彎曲顯現(xiàn)，可以幫助同學(xué)們理解流體遇阻轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象的發(fā)生。

同樣，觀察突擴(kuò)結(jié)構(gòu)可視化示意圖，可以清楚地總結(jié)出流體在突擴(kuò)結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)趨勢(shì)及規(guī)律。

圖6　突擴(kuò)結(jié)構(gòu)中流動(dòng)速度矢量圖Fig.6　Flow velocity vector of sudden enlargement structure

從圖6突擴(kuò)結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)速度矢量圖可以看出，流體流過(guò)突擴(kuò)結(jié)構(gòu)時(shí)速度有所降低，且在突擴(kuò)截面附近產(chǎn)生了較大的速度梯度，同時(shí)伴有漩渦的產(chǎn)生。

圖7　突擴(kuò)結(jié)構(gòu)中流動(dòng)靜壓云圖Fig.7　 Flow static pressure cloud chart of sudden contraction structure

圖7、圖8給出了突擴(kuò)截面中的壓力分布規(guī)律，從各種壓力云圖中可以發(fā)現(xiàn)，流體流經(jīng)突擴(kuò)結(jié)構(gòu)時(shí)，靜壓有所升高，動(dòng)壓下降，總壓下降。在突擴(kuò)截面附近同樣具有較大的壓力梯度，并且突擴(kuò)截面附近徑向遠(yuǎn)離軸線的位置，各種壓力值均比較低，這是因?yàn)樵谠撐恢酶浇a(chǎn)生了回流，回流的產(chǎn)生造成了較大的能量損失。

圖8　突擴(kuò)結(jié)構(gòu)中流動(dòng)總壓云圖Fig.8　Flow total pressure cloud chart of sudden contraction structure

圖9　突擴(kuò)結(jié)構(gòu)中流動(dòng)速度流線圖Fig.9　Flow velocity motion pattern of sudden contraction structure

圖9突擴(kuò)結(jié)構(gòu)中流動(dòng)速度流線圖清晰地展示出了突擴(kuò)結(jié)構(gòu)中的流線分布，從中可以看到回流區(qū)產(chǎn)生的位置及流體在突擴(kuò)結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)趨勢(shì)。

4　　結(jié)論

流體流經(jīng)突擴(kuò)突縮管道時(shí)，會(huì)在管道突擴(kuò)、突縮截面附近產(chǎn)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(jīng)圖擴(kuò)管徑處出現(xiàn)了分離流動(dòng)并產(chǎn)生了回流區(qū)。

突擴(kuò)和突縮內(nèi)部的流體流動(dòng)具有相似性，采用FLUENT流體計(jì)算軟件進(jìn)行仿真計(jì)算以及可視化研究可以清晰、形象地展示流體在突擴(kuò)和突縮管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及流動(dòng)規(guī)律，對(duì)于學(xué)生更好地理解并掌握流體在其中的抽象流動(dòng)具有很大的意義。為課堂授課節(jié)省大量時(shí)間，并且使課堂授課更加生動(dòng)、吸引人。開拓學(xué)生視野，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生對(duì)抽象流動(dòng)的直觀認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。

參考文獻(xiàn)：

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

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

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［5］趙琴,楊小林,嚴(yán)敬.CFD技術(shù)在工程流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)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(hào)：U171

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8646（2016）02-0010-03

收稿日期：2015- 12- 05

基金項(xiàng)目：哈爾濱工程大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JG2014BYB10）

作者簡(jiǎn)介：欒一剛（1981-），男，工學(xué)博士，副教授，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)及高溫葉片冷卻技術(shù)、工程流體力學(xué)教學(xué)研究。