基于ANSYS的流體流動(dòng)狀態(tài)分析

一、層流與紊流簡介

　　流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿著與管軸平行的方向作平滑直線運(yùn)動(dòng)。此種流動(dòng)稱為層流或滯流，亦有稱為直線流動(dòng)的。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。管內(nèi)流體的平均流速與最大流速之比等于0.5，根據(jù)雷諾實(shí)驗(yàn)，當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re<2100時(shí)，流體的流動(dòng)狀態(tài)為層流。

　　紊流是指流體從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)變化過程中的一種無序狀態(tài)。具體是指流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的慣性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)不規(guī)則地流動(dòng)。

　　紊流一般相對(duì)“層流”而言。一般用雷諾數(shù)判定。雷諾數(shù)小，意味著流體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，一般管道雷諾數(shù)Re<2000為層流狀態(tài)，Re>4000為紊流狀態(tài)，Re=2000～4000為過渡狀態(tài)。在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.流速的分布等都是不同的，因而管道內(nèi)流體的平均流速與最大流速的比值也是不同的。因此雷諾數(shù)的大小決定了粘性流體的流動(dòng)特性。

　　研究層流和紊流判斷多借助試驗(yàn)進(jìn)行分析，分析過程比較繁瑣。借助ANSYS中的FLOTRAN CFD分析功能，可以很輕松地解決層流和紊流問題。

　　ANSYS軟件中的FLOTRAN CFD分析功能是一個(gè)用于分析二維和三維流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)工具，使用FLOTRAN CFD分析中的FLUID 141和FLUID 141單元，可以解決如下問題：

　　1)作用于氣動(dòng)翼型上的升力和阻力;

　　2)超音速噴管中的流場(chǎng);

　　3)彎管中流場(chǎng)的復(fù)雜三維流動(dòng);

　　同時(shí)FLOTRAN還具有以下功能：

　　1)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中氣體的壓力和溫度分布;

　　2)研究管路系統(tǒng)中熱的層化和分離;

　　3)使用混合流研究來評(píng)估熱沖擊的可能性;

　　4)用自然對(duì)流分析來估計(jì)電子封裝中芯片的熱性能;

　　5)對(duì)含有多種流體的熱交換器進(jìn)行研究;

　　二、FLOTRAN的分析類型：

　　(一)層流或湍流分析

　　層流中速度場(chǎng)都是平滑而有序的，高粘性流體(如石油等)的低速流動(dòng)通常是層流。

　　湍流分析用于處理那些速度足夠高，黏性足夠低而引起的湍流波動(dòng)的流體的流動(dòng)情況，ANSYS中的二次湍流模型可用來模擬平均流動(dòng)下湍流速度波動(dòng)的影響。

　　(二)傳熱或絕熱分析

　　流體分析中常常會(huì)要求解流場(chǎng)中的溫度分布情況，如果流體性質(zhì)不隨溫度改變，就可不解溫度方程而使流場(chǎng)收斂。在共軛傳熱中，要在同時(shí)包含流體和非流體的整個(gè)區(qū)域上求解溫度方程。在自然對(duì)流傳熱中，流體由于溫度分布不均勻性而導(dǎo)致流體密度分布的不均勻性，從而引起流體的流動(dòng)，對(duì)強(qiáng)迫對(duì)流問題不同是：自然對(duì)流一般沒有外部流動(dòng)源。

　　(三) 可壓縮或不可壓縮流體分析

　　對(duì)于高速氣流，由很強(qiáng)的壓力梯度而引起的流體密度的變化將顯著的影響流體性質(zhì)，對(duì)此種流動(dòng)情況要使用本分析方法進(jìn)行處理。

　　(四) 牛頓流或非牛頓流分析

　　應(yīng)力與應(yīng)變率之間呈線性關(guān)系的這種理論不足以解釋很多流體的流動(dòng)，對(duì)于這種非牛頓流體，軟件提供三種黏性模型和一個(gè)用戶自定義子程序供用戶使用。

　　(五) 多組分傳輸分析

　　這種分析一般是用于研究有毒流體性質(zhì)的稀釋或大氣中污染氣體的傳播情況，同時(shí)，也可以用于研究含有多種流體同時(shí)存在相互被固體分開的熱交換分析。三、FLOTRAN的分析步驟作總結(jié)：

　　1)確定問題的分析區(qū)域

　　讀者必須先確定分析問題的明確范圍，將問題的邊界設(shè)置在條件已知的地方，如果并不知道精確的邊界條件而必須作出假定時(shí)，就不要將邊界條件設(shè)在靠近感興趣區(qū)域的地方，也不要將邊界設(shè)在求解變化梯度大的地方。

　　2)確定流體狀態(tài)

　　需要估計(jì)流體的特征，流體的特征是流體性質(zhì)，邊界幾何以及流場(chǎng)的速度幅值函數(shù)。大多數(shù)情況下，近似認(rèn)為流體性質(zhì)是常數(shù)，即不隨溫度變化，都可以得到足夠精確的解。

　　可用馬赫數(shù)來判斷流體是否可壓縮。流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的馬赫數(shù)是該點(diǎn)的流體速度與該點(diǎn)的音速的比值，當(dāng)馬赫數(shù)大于0.3時(shí)，就應(yīng)該考慮用可壓縮算法來進(jìn)行計(jì)算。

　　3)生成有限元網(wǎng)格

　　如果用了湍流模型，靠近壁面區(qū)域的網(wǎng)格密度必須要比層流模型密得多。

　　4)施加邊界條件

　　可在劃分網(wǎng)格之前或之后對(duì)模型施加邊界條件，此時(shí)要將模型的所有邊界條件考慮進(jìn)去。

　　5)設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)

　　為了使用諸如湍流模型或求解溫度方程時(shí)，讀者必須激活它們。

　　6)求解

　　7)查看結(jié)果

　　四、實(shí)例

　　以下是一個(gè)典型的工程實(shí)例，圖1是一個(gè)二維的導(dǎo)流管模型，判斷流體在導(dǎo)流管中的流動(dòng)情況。

　　圖1

　　分析時(shí)假定進(jìn)口速度均勻，并且垂直于進(jìn)口流場(chǎng)方向上的流體速度為0。在所有壁面上施加無滑移邊界條件，即所有速度分量都為0，假定流體不可壓縮，在出口處施加的速度邊界條件出口方向上速度為2 m/s，管內(nèi)流體為空氣。

　　空氣密度：1.205 kg/m3;空氣黏性：1.8135e-5 kg/m .s;進(jìn)口速度：20 m/s;出口速度：2m/s。

　　邊界條件施加完成后的整個(gè)模型如圖2。

　　圖2

　　圖3

　　圖4

　　圖3是分析完成后，導(dǎo)流管中流體的速度矢量圖，從圖中可以非常清楚地看到：流體(空氣)在這種型號(hào)的導(dǎo)流管中會(huì)發(fā)生湍流現(xiàn)象，流體速度分布是隨機(jī)的。圖4顯示的是靠近導(dǎo)流管出口處的速度分布圖，從這張圖中也可以清楚看到，流體確實(shí)已經(jīng)發(fā)生湍流。