圆管突扩（缩）局部阻力试验及流场数值模拟

论文摘要

水力学在环境水利中应用的范围非常广泛,其中管路水流的流动形态,水流的能量消耗是水利工程中经常遇到的水力学问题。在实际工程中,管道的水利计算对于排污管线的设计,工程的节能和降低成本都有至关重要的作用。而水力计算的主要任务之一就是管道的阻力计算。圆管突扩、突缩作为工程中常见的应用,讨论其内水流状态和能量消耗具有一定的代表意义。本文分别对4种不同突扩比、3种不同突缩比的圆管进行了试验研究。根据本文推到的更为准确的局部阻力系数计算公式,计算其局部阻力系数,与传统公式的计算结果进行比较,存在着较大差别。因此,传统计算方法在实际工程应用中会产生不可忽视的误差。试验结果表明,本文试验条件下,圆管突扩局部阻力系数随着突扩比的增大而减小；圆管突缩局部阻力系数随着突缩比的增大而减小；圆管突扩、突缩局部阻力系数均是雷诺数的函数,采用三次多项式可以将局部阻力系数与雷诺数有效结合。对实际工程中大量存在的边界形状复杂的区段内的流动,鉴于其复杂性和测量的困难性,试验往往只能给出总流的参数,却无法给出区段内详细的流场信息,而数值模拟则能够给出相关流场的具体信息。对水流进行数值模拟的一个有效工具是FLUENT,将其应用于计算流体动力学进行数值模拟,可以方便地计算出各项水流参数的全场分布,具有计算快速、简捷、数值精度较高等优点,同时FLUENT具有从不可压到可压,层流到湍流等很大范围的模拟能力,具有很强的实用性。本文采用大型流体力学软件FLUENT为计算平台,利用RNG k-ε模型,对圆管突扩、突缩进行了研究,显示了流线、涡线和速度分布,在所考虑的来流雷诺数范围内,计算的流动图谱具有相似性。获得了相应的数值解,并与已有数据进行比较,得出应用FLUENT进行数值模拟具有较高的精度,对突扩、突缩流的计算是有效的结论。在相同的突扩比条件下,数值模拟的流动图谱具有相似性,流动趋势基本相似,回流区长度随着来流雷诺数的增大而加大,随着雷诺数的增加,轴向速度增大；当雷诺数不变、突扩比减小时,回流区长度增大；相同突缩比条件下,突缩处流动图谱具有相似性,流动趋势基本相似,随着雷诺数的增大,突缩处漩涡加大,轴向速度增大。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 研究的目的与意义
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 粘性不可压缩流体的研究发展概况
• 1.2.2 变截面管道局部阻力特性
• 1.2.3 突扩、突缩管道流场的模拟
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 2 计算流体动力学（CFD）基本理论
• 2.1 计算流体动力学概述
• 2.2 流体动力学控制方程
• 2.2.1 质量守恒方程
• 2.2.2 动量守恒方程
• 2.2.3 能量守恒方程
• 2.3 CFD的求解过程
• 2.4 常用的CFD商用软件
• 3 FLUENT基本理论及应用介绍
• 3.1 FLUENT简介
• 3.2 FLUENT中的网格
• 3.3 FLUENT中边界条件的处理
• 3.3.1 速度入口边界条件
• 3.3.2 质量出口边界条件
• 3.3.3 壁面边界条件
• 3.3.4 轴边界条件
• 3.4 操作压力的确定
• 3.5 FLUENT求解器
• 3.6 RNG k-ε模型
• 4 圆管突扩、突缩局部阻力系数的试验研究
• 4.1 试验装置及原理
• 4.1.1 试验装置设置
• 4.1.2 试验原理
• 4.2 试验结果分析
• 4.2.1 突扩管路
• 4.2.2 突缩管路
• 4.3 本章小结
• 5 圆管突扩、突缩水流流态的数值模拟
• 5.1 数学模型
• 5.2 应用FLUENT数值模拟计算结果
• 5.2.1 突扩管路
• 5.2.2 突缩管路
• 5.2.3 与已有数据对比
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文