基于A(yíng)NSYS的流體流動(dòng)狀態(tài)分析

一、層流與紊流簡(jiǎn)介

　　流體在管內流動(dòng)時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿著(zhù)與管軸平行的方向作平滑直線(xiàn)運動(dòng)。此種流動(dòng)稱(chēng)為層流或滯流，亦有稱(chēng)為直線(xiàn)流動(dòng)的。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。管內流體的平均流速與最大流速之比等于0.5，根據雷諾實(shí)驗，當雷諾準數Re2100時(shí)，流體的流動(dòng)狀態(tài)為層流。

　　紊流是指流體從一種穩定狀態(tài)向另一種穩定狀態(tài)變化過(guò)程中的一種無(wú)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)不規則地流動(dòng)。

　　紊流一般相對“層流”而言。一般用雷諾數判定。雷諾數小，意味著(zhù)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)平行于管路內壁有規則地流動(dòng)，呈層流流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數大，意味著(zhù)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Re2000為層流狀態(tài)，Re>4000為紊流狀態(tài)，Re=2000～4000為過(guò)渡狀態(tài)。在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體的運動(dòng)規律.流速的分布等都是不同的，因而管道內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進(jìn)行分析，分析過(guò)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(wèn)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(wèn)題：

　　1)作用于氣動(dòng)翼型上的升力和阻力;

　　2)超音速?lài)姽苤械牧鲌?chǎng);

　　3)彎管中流場(chǎng)的復雜三維流動(dòng);

　　同時(shí)FLOTRAN還具有以下功能：

　　1)計算發(fā)動(dòng)機排氣系統中氣體的壓力和溫度分布;

　　2)研究管路系統中熱的層化和分離;

　　3)使用混合流研究來(lái)評估熱沖擊的可能性;

　　4)用自然對流分析來(lái)估計電子封裝中芯片的熱性能;

　　5)對含有多種流體的熱交換器進(jìn)行研究;

　　二、FLOTRAN的分析類(lèi)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(lái)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)區域上求解溫度方程。在自然對流傳熱中，流體由于溫度分布不均勻性而導致流體密度分布的不均勻性，從而引起流體的流動(dòng)，對強迫對流問(wèn)題不同是：自然對流一般沒(méi)有外部流動(dòng)源。

　　(三) 可壓縮或不可壓縮流體分析

　　對于高速氣流，由很強的壓力梯度而引起的流體密度的變化將顯著(zhù)的影響流體性質(zhì)，對此種流動(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

　　應力與應變率之間呈線(xiàn)性關(guān)系的這種理論不足以解釋很多流體的流動(dòng)，對于這種非牛頓流體，軟件提供三種黏性模型和一個(gè)用戶(hù)自定義子程序供用戶(hù)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(kāi)的熱交換分析。三、FLOTRAN的分析步驟作總結：

　　1)確定問(wèn)題的分析區域

　　讀者必須先確定分析問(wèn)題的明確范圍，將問(wèn)題的邊界設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在靠近感興趣區域的地方，也不要將邊界設在求解變化梯度大的地方。

　　2)確定流體狀態(tài)

　　需要估計流體的特征，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。大多數情況下，近似認為流體性質(zhì)是常數，即不隨溫度變化，都可以得到足夠精確的解。

　　可用馬赫數來(lái)判斷流體是否可壓縮。流場(chǎng)中任意一點(diǎn)的馬赫數是該點(diǎn)的流體速度與該點(diǎn)的音速的比值，當馬赫數大于0.3時(shí)，就應該考慮用可壓縮算法來(lái)進(jìn)行計算。

　　3)生成有限元網(wǎng)格

　　如果用了湍流模型，靠近壁面區域的網(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)設置FLOTRAN分析參數

　　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)二維的導流管模型，判斷流體在導流管中的流動(dòng)情況。