基于ANSYS的流体流动状态分析

 

　　一、层流与紊流简介

　　流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数Re<2100时，流体的流动状态为层流。

　　紊流是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。

　　紊流一般相对“层流”而言。一般用雷诺数判定。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re<2000为层流状态，Re>4000为紊流状态，Re=2000～4000为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律.流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速与最大流速的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。

　　研究层流和紊流判断多借助试验进行分析，分析过程比较繁琐。借助ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能，可以很轻松地解决层流和紊流问题。

　　ANSYS软件中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维和三维流体流动场的先进工具，使用FLOTRAN CFD分析中的FLUID 141和FLUID 141单元，可以解决如下问题：

　　1)作用于气动翼型上的升力和阻力;

　　2)超音速喷管中的流场;

　　3)弯管中流场的复杂三维流动;

　　同时FLOTRAN还具有以下功能：

　　1)计算发动机排气系统中气体的压力和温度分布;

　　2)研究管路系统中热的层化和分离;

　　3)使用混合流研究来评估热冲击的可能性;

　　4)用自然对流分析来估计电子封装中芯片的热性能;

　　5)对含有多种流体的热交换器进行研究;

　　二、FLOTRAN的分析类型：

　　(一)层流或湍流分析

　　层流中速度场都是平滑而有序的，高粘性流体(如石油等)的低速流动通常是层流。

　　湍流分析用于处理那些速度足够高，黏性足够低而引起的湍流波动的流体的流动情况，ANSYS中的二次湍流模型可用来模拟平均流动下湍流速度波动的影响。

　　(二)传热或绝热分析

　　流体分析中常常会要求解流场中的温度分布情况，如果流体性质不随温度改变，就可不解温度方程而使流场收敛。在共轭传热中，要在同时包含流体和非流体的整个区域上求解温度方程。在自然对流传热中，流体由于温度分布不均匀性而导致流体密度分布的不均匀性，从而引起流体的流动，对强迫对流问题不同是：自然对流一般没有外部流动源。

　　(三) 可压缩或不可压缩流体分析

　　对于高速气流，由很强的压力梯度而引起的流体密度的变化将显著的影响流体性质，对此种流动情况要使用本分析方法进行处理。

　　(四) 牛顿流或非牛顿流分析

　　应力与应变率之间呈线性关系的这种理论不足以解释很多流体的流动，对于这种非牛顿流体，软件提供三种黏性模型和一个用户自定义子程序供用户使用。

　　(五) 多组分传输分析

　　这种分析一般是用于研究有毒流体性质的稀释或大气中污染气体的传播情况，同时，也可以用于研究含有多种流体同时存在相互被固体分开的热交换分析。

　　三、FLOTRAN的分析步骤作总结：

　　1)确定问题的分析区域

　　读者必须先确定分析问题的明确范围，将问题的边界设置在条件已知的地方，如果并不知道精确的边界条件而必须作出假定时，就不要将边界条件设在靠近感兴趣区域的地方，也不要将边界设在求解变化梯度大的地方。

　　2)确定流体状态

　　需要估计流体的特征，流体的特征是流体性质，边界几何以及流场的速度幅值函数。大多数情况下，近似认为流体性质是常数，即不随温度变化，都可以得到足够精确的解。

　　可用马赫数来判断流体是否可压缩。流场中任意一点的马赫数是该点的流体速度与该点的音速的比值，当马赫数大于0.3时，就应该考虑用可压缩算法来进行计算。

　　3)生成有限元网格

　　如果用了湍流模型，靠近壁面区域的网格密度必须要比层流模型密得多。

　　4)施加边界条件

　　可在划分网格之前或之后对模型施加边界条件，此时要将模型的所有边界条件考虑进去。

　　5)设置FLOTRAN分析参数

　　为了使用诸如湍流模型或求解温度方程时，读者必须激活它们。

　　6)求解

　　7)查看结果

　　四、实例

　　以下是一个典型的工程实例，图1是一个二维的导流管模型，判断流体在导流管中的流动情况。

　　

 

　　图1

　　分析时假定进口速度均匀，并且垂直于进口流场方向上的流体速度为0。在所有壁面上施加无滑移边界条件，即所有速度分量都为0，假定流体不可压缩，在出口处施加的速度边界条件出口方向上速度为2 m/s，管内流体为空气。

　　空气密度：1.205 kg/m3;空气黏性：1.8135e-5 kg/m .s;进口速度：20 m/s;出口速度：2m/s。

　　边界条件施加完成后的整个模型如图2。

　　

 

　　图2

　　

 

　　图3

　　

 

　　图4

　　图3是分析完成后，导流管中流体的速度矢量图，从图中可以非常清楚地看到：流体(空气)在这种型号的导流管中会发生湍流现象，流体速度分布是随机的。图4显示的是靠近导流管出口处的速度分布图，从这张图中也可以清楚看到，流体确实已经发生湍流。