上機(jī)指導(dǎo)手冊-(fluent)

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1、前言導(dǎo)熱問題實(shí)際上就是對導(dǎo)熱微分方程(能量方程)在規(guī)定的定解條件下進(jìn)行求解，而對流問題除了對能量方程進(jìn)行求解外，往往還需對質(zhì)量守恒方程以及動量方程進(jìn)行求解。對于少數(shù)幾何形狀以及邊界條件簡單的問題能獲得分析解，但對于大多數(shù)工程技術(shù)中遇到的許多幾何形狀或邊界條件復(fù)雜的導(dǎo)熱對流問題，數(shù)學(xué)上還無法得除其分析解。另一方面，在近幾十年中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其中CFD(計(jì)算流體力學(xué))能解決流體流動，傳熱傳質(zhì)等很多工程問題，因而發(fā)展非?？臁luent作為目前國際上最流行的商用CFD軟件之一，在

2、美國和中國的市場占有率都超過60%。只要涉及到流體、熱傳遞以及化學(xué)方法等問題都可以用Fluent進(jìn)行求解。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、消防火災(zāi)、環(huán)境分析等方面都有著廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)在于運(yùn)用成熟的Fluent軟件對傳熱學(xué)的一些簡單問題進(jìn)行數(shù)值求解，主要包括一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的求解，二維方腔內(nèi)自然對流的數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)的目的在于是為同學(xué)們提供一個(gè)形象直觀而又生動的工具，為本科傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)提供一個(gè)新的視角，使傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)從抽象的理論中解放出來，變得直接而有主動

3、，增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)的興趣與動力，從枯燥的灌輸中解放出來。另一方面數(shù)值模擬還能加深學(xué)生對基本概念、基本規(guī)律的理解。能楊世銘說:“傳熱學(xué)課程的教學(xué)應(yīng)當(dāng)從以往的單純地為后續(xù)專業(yè)課服務(wù)而轉(zhuǎn)變到著重培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)與能力方面來。通過將CFD數(shù)值模擬方法滲透到傳熱學(xué)的本科實(shí)驗(yàn)中，為培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)與能力提供一個(gè)強(qiáng)有力的工具，最終促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力的全面提升。115115目錄前言1目錄2實(shí)驗(yàn)一圓管不可壓縮粘性流實(shí)驗(yàn)（一）1實(shí)驗(yàn)二圓管不可壓縮粘性流實(shí)驗(yàn)（二）15實(shí)驗(yàn)三管道突擴(kuò)22實(shí)驗(yàn)四一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)值模擬27實(shí)驗(yàn)五復(fù)合壁面的穩(wěn)態(tài)傳

4、熱（一）40實(shí)驗(yàn)六復(fù)合壁面的穩(wěn)態(tài)傳熱（二）44實(shí)驗(yàn)七非定常熱傳導(dǎo)47實(shí)驗(yàn)八對流-擴(kuò)散方程數(shù)值計(jì)算算法50實(shí)驗(yàn)九二維密閉方腔自然對流的數(shù)值模擬54實(shí)驗(yàn)十冷熱水混合器內(nèi)的流動與熱交換模擬71實(shí)驗(yàn)十一二維離心泵流動模擬103實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)111實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求112實(shí)驗(yàn)一充分發(fā)展管道流實(shí)驗(yàn)（一）3實(shí)驗(yàn)二充分發(fā)展管道流實(shí)驗(yàn)（二）9實(shí)驗(yàn)三管道突擴(kuò)10實(shí)驗(yàn)四一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)值模擬.....................1實(shí)驗(yàn)五二維內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)六復(fù)合壁面的穩(wěn)態(tài)傳熱（一）26115實(shí)驗(yàn)七復(fù)合壁面的穩(wěn)態(tài)傳熱（二）2

5、8實(shí)驗(yàn)八二維密閉方腔自然對流的數(shù)值模擬...................................59實(shí)驗(yàn)九縱向肋片（離心風(fēng)機(jī)）自然對流的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)十冷熱水混合器的數(shù)值模擬熱工學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告：換熱...................................................................................75源項(xiàng)及邊界的處理方案對流-擴(kuò)散方程數(shù)值計(jì)算算法115115實(shí)驗(yàn)一圓管不可壓縮粘性流實(shí)驗(yàn)（一）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)的目的是揭示雷諾數(shù)對摩擦因子和沿管徑方

6、向速度分布的影響。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，可以模擬無熱傳遞條件下，均勻速度條件入口粘性流體流經(jīng)整個(gè)圓管管道中水力充分發(fā)展后的流體流動情況。學(xué)會并觀察入口長度，水力參數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系。觀察基于雷諾數(shù)的表面摩擦系數(shù)是怎樣分布的；觀察出口處速率的變化。隨著雷諾數(shù)的增加，剖面速度分布變得扁平。二、實(shí)驗(yàn)原理對流體通過管道系統(tǒng)時(shí)流量分布的分析是工程應(yīng)用中最常見的流體動力學(xué)問題。最主要的應(yīng)用場合包括各種水力和氣動系統(tǒng)。例如，水、油或天然氣等管道流動問題的研究。本模擬實(shí)驗(yàn)研究無熱傳遞時(shí)等截面管道的水力學(xué)流動狀況，如圖1-1所示。圖1-1管道中

7、水力邊界層的發(fā)展（1）入口長度流體在圓形管道中流動時(shí)，入口處速度是均勻的。當(dāng)流體和管壁接觸時(shí)，由于粘性力對流體的影響，就產(chǎn)生了邊界層。在管道入口處，邊界層非常薄，除邊界外，其它區(qū)域都可以看成是非粘性流。隨著流體向前流動，邊界層越來越厚。邊界層的發(fā)展使得非粘性區(qū)域越來越小直至消失，結(jié)果所有邊界層在管道中線處合并。合并后，粘性力的影響已經(jīng)遍布到整個(gè)截面，截面速度大小和分布情況在以后的流動中就不會再發(fā)生變化了。這時(shí)邊界層已經(jīng)充分發(fā)展了，而達(dá)到這一狀況的管道截面與入口處的距離就叫做水力入口長度（hydrodynamicent

8、rylength）。115對圓形管道，層流和紊流的速率分布決定于紊流混合在所處的徑向位置。但不論是層流還是紊流，入口處的雷諾數(shù)都可以定義成如下形式：其中，是流體速度，D是管徑。產(chǎn)生紊流的臨界雷諾數(shù)，然而，要完全轉(zhuǎn)變成紊流，雷諾數(shù)對與層流，水力入口長度可以按如下形式計(jì)算：對于紊流()，給出如下計(jì)算形式：（2）管道摩擦損失1．層流：對于在管道中充分