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1、 基于基于 ANSYS 软件软件的的导流导流管流场管流场分析分析 【摘要】使用 ANSYS 软件对导流管内流场进行分析，得出在雷诺数为 400 的层流情况，然后改变流场参数重新分析，最后扩大分析区域计算其湍流情况。关键词：ANSYS；流场分析；导流管 1 引言 以计算机模拟手段为基础的计算流体力学在涉及流体流动等相关现象以及在几何模型和网格生成、数值算法、湍流模型、流态显示等方面都取得了重大进展。以计算流体力学为学科基础的 CFD 技术有强大的模拟能力，在工程及非工程领域有着广泛的应用。在众多的 CFD 分析软件中，ANSYS 有限分析软件是较为突出的流场分析软件。ANSYS 软件是融结构、热
2、、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，软件中的 FLOTRAN CFD 分析功能是一个用于二维及三维流体流场的先进工具，它集计算、前处理、后处理为一体。2 问题描述 如图 1 所示是一个 2D 的导流管简图，首先分析一个在雷诺数为 400 的层流情况，然后改变流场参数重新分析，最后扩大分析区域计算其湍流情况，采用国际单位制。图 1 分析区域模型图 3 问题分析 用 fluid141 单元来做 2D 分析，包括三个部分的分析 1）雷诺数为 400 的假想流的层流分析。2）降低流体粘性后的假想流的流层分析。3）雷诺数约为 260000 的空气流的湍流分析。分析时假定进口速度均匀并垂直于
3、进口流场方向上的流体速度为零。在所有壁面上施加无滑移边界条件，假定流体不可压缩且其性质为恒值。在这种情况下，压力就可只考虑相对值，因此在出口处施加的压力边界条件是相对压力为零。第一次分析时流场为层流，可以通过雷诺数判定，公式如下：Re=pV/式中，p 为流体密度，V 为流速，DH为根据湿周算的当量直径，u 为动力粘度。第二次分析时将流体粘度降低到原来的 1/2 后在第一次的基础上重启动分析。对于内流来说，当雷诺数达到 20003000 时，流场即由层流过渡到湍流。故第三次分析时，流场是湍流。对于湍流分析，导流管的后端应加长，以使流场能得到充分的发展。此时应在该次求解之前改变 ANSYS 的工作
4、名，以防止程序在上一次分析结果的基础上做重启动。流体的性质为:假 设 流 体 密 度 为 1kg/m3，流 体 粘 性 第 一 次 分 析 为0.01kg/(m.s),第二次分析为 0.05kg/(m.s),空气密度 1.8135*kg/m3，进口速度2.0m/s,出口压力为 0。4 实例分析 ANSYS 程序中的 FLOTRAN CFD 分析的主要步骤:（1）确定问题的区域（2）确定流体的状态（3）生成有限元网格；（4）施加边界条件（5）设置 FLOTRAN 分析参数（6）求解。4.1 建立模型 在 ANSYS 中建立导流管的二维简化模型。取导流管的截面进行二维分析，这样可以节省计算机资源，
5、提高运行速度。4.2 网格划分 在建立模型时，所取单元类型为 FLUID141。划分网格时，由于流场在过渡段比较复杂，因此在弯曲处进行了较细密的网格划分，网格划分后的模型，如图 2所示。4.3 施加边界条件 在模型进口处加 X 方向速度为 2 和其他方向速度为零的进口速度条件，在所有壁面处加俩个方向速度都为零的速度条件，在出口处加零压力边界条件。导流管加载后模型，如图 3 所示。4.4 求解层流 首先建立流体性质，然后设置选项并开始求解。迭代过程如图 4 所示，4.5 查看流层分析的结果 调入最后迭代步的结算结果，以向量方式显示速度分布结果。结果如图 5 所示：4.6 确定流体粘性 空气和水等常见的流体的粘性都低于上例中的假想的流体粘性。将该粘性缩小 2 倍进行求解。以向量的方式显示速度分布结果。4.7 进行湍流分析 从低粘性的分析结果可看出回流区已延伸到出口边界之后，若希望流体在出口前得到充分发展，则必须给其更多空间。对于空气则尤其更应如此，因其粘性比上面的 0.001 还低。在完成的层流分析基础上做一个空气的湍流分析，此时要延长问题的求解区域并对延长部分重新划分网格、重新施加边界条件并激活湍流模型。以向量方式显示速度分布结果。如下图所示：再以图形显示路径上的速度分布如下图所示：由上图所示该路径图显示流场仍未得到充分发展，绘制压力等值线图可得节点结果的压力分布图: