超空泡魚雷水沖壓發(fā)動機進水管道水力特性計算

本科畢業(yè)設計論文第一章緒論1本文研究背景1.1俄羅斯的“暴風”超空泡魚雷所謂超空泡魚雷(supercavitationtorpedo)是指低阻超高速魚雷。這種魚雷航行時，在其表面及其附近區(qū)域形成汽(氣)體包層，從而大大降低了航行阻力，使航行速度得以大幅度提高。目前航行速度最快的常規(guī)魚雷是英國的“矛魚”(Spearfish)魚雷，其淺水最高航速為75節(jié)，俄羅斯的超空泡魚雷航行速度已超過200節(jié)。超空泡魚雷的出現(xiàn)源自空化理論，即當液體內(nèi)部局部壓力降低到一定程度時，在液體或固體與液體交界面上，會形成蒸汽或氣體的空穴，即空泡。超空泡魚雷利用其特殊的外形設計，隨著動力系統(tǒng)的不斷加速，使其表面及附近區(qū)域處于空化狀態(tài)，并輔以適當?shù)娜斯こ錃猓刽~雷處于汽(氣)體包層中，并保持汽(氣)體包層在魚雷航行中的穩(wěn)定性。超空泡魚雷一般具有多個(多級)動力推進裝置，以滿足其初始、加速及巡航(超空化)等不同航行階段的需要。超空泡魚雷目前仍屬于直航魚雷，其最大優(yōu)點在于速度快，不受各種水聲和電子對抗器材的干擾。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要和科學技術(shù)的發(fā)展，超空泡魚雷將成為魚雷的一個重要發(fā)展方向，美國在其發(fā)表的《2000～2035年美國海軍技術(shù)》中指出：利用超空泡和金屬水反應發(fā)動機作為未來幾十年水下兵器的重要研究和發(fā)展方向。俄羅斯的“暴風”火箭動力魚雷是目前己知的超空泡武器，前蘇聯(lián)海軍在歷經(jīng)十多年的秘密研究與發(fā)展之后，于1977年研制成功并裝備部隊?！氨╋L”超空泡魚雷由固體火箭發(fā)動機牽引，速度超過300海里/小時(500km/h),其速度之快，即使不攜帶戰(zhàn)斗部，其自身質(zhì)量和速度也能擊沉一艘潛艇。俄羅斯非常重視超空泡武器的研發(fā)工作，前蘇聯(lián)的烏克蘭流體力學研究所于1960年就開始研制暴風超空泡魚雷。20世紀70年代中期，設計出第一代暴風魚雷。并于80年代和90年代初繼續(xù)發(fā)展第二代暴風超空泡魚雷。圖1-1示出的是暴風超空泡魚雷在水下的航行示意圖。圖1-1暴風超空泡魚雷在水下的航行示意圖“暴風”配備兩臺發(fā)動機。一臺是固體火箭發(fā)動機,一臺是金屬水燃料噴水式渦輪發(fā)動機。固體火箭發(fā)動機先點火,實施雙平面程序控制,將魚雷引導至攻擊深度,然后啟動另一臺發(fā)動機,以超高速直航彈道攻擊目標?！氨╋L”魚雷運用奇特的超速空泡原理。它頭部設置向后傾斜導流板,就是為了利于將層流分開,形成超速空泡的平滑復面層。雷上還設有氣體發(fā)生器,主要使用發(fā)動機排出廢氣來補充空泡。魚雷在水下運動時產(chǎn)生形同橢球狀的氣泡,把魚雷表面包裹起來。整個魚雷在航行中只有頭部導流板和尾部空泡消失點兩處與水有接觸,其余絕大部分在筒狀空洞亦即空泡中。這種超級空化現(xiàn)象導致全雷阻力急驟下降,大大減少高速物體與海水的摩擦力,從而使魚雷達到令人吃驚的200節(jié)(100米/秒)超高航速,超過通常魚雷速度的3~5倍，其速度極快，基本上不給目標反應時間或規(guī)避時機。在8公里距離上,發(fā)射超高速“暴風”,只用一分半鐘就可摧毀目標。實現(xiàn)超空泡武器最重要之處是必須有先進的控制系統(tǒng)和先進的推進系統(tǒng)。先進的控制系統(tǒng)“風雪”魚雷曾被認為是不怎么精確的武器，因為它只能直航，但是未來的超空泡裝置是可以設計成在水中機動航行的。這可以通過利用諸如尾翼之類的穿穴控制面和推力矢量系統(tǒng)（發(fā)動機排氣的定向噴嘴）進行控制。但是在轉(zhuǎn)彎航行時必須小心，以使魚雷保持在氣穴之內(nèi)。研究人員還考慮，通過同時在兩個平面內(nèi)移動或轉(zhuǎn)動頭部空泡發(fā)生器來實現(xiàn)偏航和俯仰機動，以及利用鴨式翼進行控制。如果控制面能夠正確的協(xié)調(diào)，超空泡航行器就可能是高度靈巧的，當超空泡系統(tǒng)在低密度氣泡內(nèi)進行無支援運行時，后部常常撞擊氣穴內(nèi)墻，而從正常的水下航行過渡到超空泡狀態(tài)和再返回成原態(tài)，可以通過對部分氣穴進行人工通氣來實現(xiàn)，通過改變速度來保持和擴大氣穴。將氣體注入氣泡使之擴大并保持運動狀態(tài)，然后慢慢地減小其尺度以降低其速度，從而可以很容易地實現(xiàn)水下武器控制。超空泡魚雷的外形示意圖如圖1-2所示。圖1-2超空泡魚雷先進的推進系統(tǒng)大多數(shù)現(xiàn)有的和預期的自主式超空泡航行器還必須依靠火箭發(fā)動機產(chǎn)生所需的推力。但是常規(guī)火箭必然伴生某些嚴重的缺陷：航程有限和當深度增加時推力隨著壓力的增加而下降。前者應以一種高能量密度動力裝置技術(shù)來解決；后者可利用專門的超空泡推進螺旋槳技術(shù)來加以防止。達到超空泡速度需要很大的能量，為實現(xiàn)火箭的最大航程必須燃燒有最大比推力的高密度燃料。在對多種動力裝置進行比較之后，俄羅斯專家的結(jié)論是：“只有燃燒金屬燃料（鋁、錳或鋰），并利用海水作為氧化劑與燃燒生成物的冷卻劑的高效燃氣輪機或噴氣推進系統(tǒng)，才是推進超空泡航行器實現(xiàn)最高速度的最佳途徑”。據(jù)悉，賓夕法尼亞大學應用研究實驗室正在運行一種燃燒鋁的“水沖壓”系統(tǒng)，它是海軍水面艦艇的一種輔助動力裝置。超空泡推進螺旋槳技術(shù)試驗表明，與火箭相比較，螺旋槳葉提供的潛在推力要高20％。今天,人們已經(jīng)明了,關(guān)鍵技術(shù)一旦取得突破，海戰(zhàn)模式勢必大大改觀。1.2超空泡武器關(guān)鍵技術(shù)突破之一——金屬水反應發(fā)動機水下超高速航行器能以極快的速度發(fā)動攻擊，任何防御手段對它都無可奈何，該武器將會大大改變海上的作戰(zhàn)模式。世界各國都對超空泡武器的發(fā)展投入了大量的資金和精力，超空泡武器的下一步發(fā)展需要解決大量的技術(shù)問題，而包括超空泡發(fā)生系統(tǒng)、導彈水下控制和制導技術(shù)和推進系統(tǒng)技術(shù)改進等一系列關(guān)鍵技術(shù)在發(fā)展中一旦得到突破，超空泡武器的應用在未來將會得到很大的拓展。水沖壓發(fā)動機是用于水下航行器的新型動力，其機械能源于金屬與水的反應熱。它將外部的水引入沖壓燃燒室，通過金屬粒子與水燃燒反應釋放熱能，產(chǎn)生高溫高壓燃氣，最后通過噴管產(chǎn)生推力。這種水沖壓發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單、燃燒組織易于實現(xiàn)、能夠反映發(fā)動機基本工作原理等優(yōu)點，被認為是有應用前景的重要動力形式。1.3水沖壓發(fā)動機的工作原理水沖壓發(fā)動機是用于水下航行器的新型動力，它將外部的水引入沖壓燃燒室，通過金屬粒子與水燃燒反應釋放熱能，產(chǎn)生高溫高壓燃氣，最后通過噴管產(chǎn)生推力.水沖壓發(fā)動機的機械能源于金屬與水的反應熱。沖壓發(fā)動機形式是將鋁粉制成高金屬含量的固體推進劑藥柱，通過一次燃燒產(chǎn)生含有大量未反應金屬粉末的燃氣，并以此實現(xiàn)鋁粉的輸送。由于推進劑力學性能、燃速性能及噴射效率等因素的制約，金屬含量受到一定限制，可能使發(fā)動機的理論比沖稍低。盡管如此，這種水沖壓發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單、燃燒組織易于實現(xiàn)、能夠反映發(fā)動機基本工作原理等優(yōu)點，被認為是有應用前景的重要動力形式。在能量儲備方面，水金屬反應推進劑是最高效的能量來源。水反應金屬的能量密度很高，使用這類燃料是推進高速航行器的最佳途徑。而且該發(fā)動機的推進噴射系統(tǒng)的燃料是與水反應的，更可以大幅提高比沖，這種發(fā)動機在比沖和沖量密度上都高于傳統(tǒng)的火箭燃料，克服了固體火箭發(fā)動機工作時間短，可控性能差的不足。由于采用水反應金屬燃料，航行器可以僅攜帶金屬燃燒劑，作為氧化劑和冷卻劑的水可以從外界海洋環(huán)境中獲取，極大地提高了能源儲備量，為大功率遠航程提供了物質(zhì)基礎，更因為無需攜帶氧化劑，推進系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)非常緊湊，減少對魚雷內(nèi)部有限空間的占有率。圖1-2為燃氣式水沖壓發(fā)動機的工作原理圖。圖1-2燃氣式水沖壓發(fā)動機的工作原理1.4水沖壓發(fā)動機的重要部件之一——進水管道進水管路是金屬／水反應沖壓發(fā)動機的一個重要部件，其功能是利用迎面高速水流的速度沖壓，有效地將其速度頭轉(zhuǎn)化為壓力頭，提高水流的壓強，并為發(fā)動機提供所需要的水流量。由于外界環(huán)境錯綜復雜，流速和壓強等水力條件均不穩(wěn)定，而燃燒室需要一個較為穩(wěn)定的燃料供給，不同的進水量和水壓均會對燃燒室的工作造成影響。為了使發(fā)動機在一個穩(wěn)定正常的狀態(tài)工作，必須對進水管道水力特性進行計算，這包括在不同壓力即不同水深和不同流速下水流經(jīng)過進水管道時的水力損失，得出水力損失與流速水壓的關(guān)系，研究出三者之間的規(guī)律，從而為發(fā)動機設計進水穩(wěn)壓裝置保證發(fā)動機的穩(wěn)定運行，研究水沖壓工作過程，設定水沖壓管路的基本外形結(jié)構(gòu)參數(shù)，并研究其性能，設計水沖壓發(fā)動機工作參數(shù)、計算水沖壓發(fā)動機性能都是不可或缺的一環(huán)。二、本文研究內(nèi)容與方法本文根據(jù)流體力學基本原理，通過數(shù)值模擬分析，計算多種工作狀況下管道水力特性。具體步驟分為：(1)分析進水管道流動特性，選擇控制方程，建立計算模型；(2)根據(jù)計算模型選擇計算方法；(3)根據(jù)研究對象，建立數(shù)值模擬計算模型；(4)輸入邊界條件并迭代求解控制方程；(5)輸出求解結(jié)果，統(tǒng)計演示計算結(jié)果，對計算結(jié)果正確性進行驗證，分析并得出一般規(guī)律。（6）對整個計算分析過程進行總結(jié)

第二章流動分析及方法選擇2.1管內(nèi)流動的一般特性2.1.1管道流動的兩種流態(tài)英國科學家雷諾將管道內(nèi)的流動分為兩種流態(tài)：層流和湍流。管道中水質(zhì)點只做沿管軸線的直線運動，而無橫向運動，看可以認為此時水在管內(nèi)做分層流動，各層互不干擾互不相混，這種流動稱為層流；當水在管道中向前流動時，完全處于無規(guī)則的亂流狀態(tài)，則稱這種流動為湍流。當流動為湍流時，即使邊界條件保持不變，流動也是不穩(wěn)定的，速度等流動特征都將隨機變化。這樣的流動，牛頓內(nèi)摩擦定律不能使用，研究它多用一些經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式。湍流和層流的基本區(qū)別是湍流的流動參數(shù)，如速度的三個分量，壓強和溫度等都隨時間發(fā)生隨機不規(guī)則的脈動。湍流的流動參數(shù)隨機脈動，因而其流動特性和層流有著巨大的差異。圖2-1描述了湍流的形成機理。圖2-1湍流的形成試驗和理論研究表明：決定管內(nèi)流動狀態(tài)的判據(jù)是一個無量綱準則數(shù)——雷諾數(shù)ReRe=ρνdμ其中ρ為流體密度，v為流體流速，d為管道直徑，μ為流體運動粘性系數(shù)。當Re<2100時，管道內(nèi)的流動為層流，當Re>當d，μ，ν變化時，湍流和層流可以相互轉(zhuǎn)化。通過改變管道直徑，流體速度及流體的動力粘性系數(shù)，可以實現(xiàn)兩種流態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。2.1.2管道內(nèi)充分發(fā)展的湍流湍流遵循連續(xù)方程的約束，在高雷諾數(shù)下為三維流動，具有以下三個特征不規(guī)則性。流動物理量隨時間和空間隨機脈動，通常采用統(tǒng)計平均方法來表示流體運動的物理量；擴散性。湍流流場中渦體的摻混過程中將增加動量能量質(zhì)量的交換，不然伴隨傳質(zhì)傳熱和傳遞動量；能量耗散性。渦體的傳遞中必然消耗能量，粘性切應力不斷將湍動能轉(zhuǎn)化成流體的內(nèi)能而消耗掉。能量耗散性是由于流體與管壁之間的摩擦力產(chǎn)生的切應力造成的。在粘性層流運動中，各層流體間的內(nèi)摩擦引起了粘性應力，其大小可以用牛頓切應力公式計算。在湍流運動中，除了有層流內(nèi)摩擦引起的層流應力外，還有附加應力。由于脈動，各流動層中不同速度的流體質(zhì)點因脈動進入相鄰的流體層時，各流體層之間就發(fā)生了能量交換，從而在流體層之間產(chǎn)生了湍流附加應力，稱之為為雷諾應力。所以湍流中的切應力應分為兩部分：層流切應力與湍流雷諾應力之和。圖2-2為層流在管道中的示意圖。在層流中，由牛頓粘性定律得：τlam=μdu由壁面不滑移條件：r=R，u=0得出管內(nèi)層流速度分布：u=G4μ（R2在湍流中，由于單位時間內(nèi)通過某一面積的動量通量總是等價于周圍流體作用在該面積的大小相等反方向相反的力，所以湍流脈動引起的x方向動量傳遞在單位面積上產(chǎn)生的切應力為-ρu'v'。（u'τ=τlam+圖2-2管內(nèi)層流示意圖圖2-3管內(nèi)湍流結(jié)構(gòu)湍流運動中，由于流體渦團相互摻混，互相碰撞，因而產(chǎn)生了流體內(nèi)部各質(zhì)點間的動量傳遞；動量大的流體質(zhì)點將動量傳遞給動量小的質(zhì)點，動量小的流體質(zhì)點牽制動量大的質(zhì)點，結(jié)果造成斷面流速分布的均勻化?？梢园淹牧鲄^(qū)域劃范圍三個：粘性底層，過渡區(qū)，湍流核心區(qū)，圖2-4給出了湍流區(qū)域劃分示意圖.流體進入管道以后，由于粘性作用，管壁上的流體質(zhì)點速度為零，近壁處很薄的一層流體內(nèi)速度梯度很大，稱為邊界層，在邊界層內(nèi)，速度由核心區(qū)的最高值降為零。流體沿管道前進，邊界層的速度減小，而通過每個斷面的流量是不變的，所以核心區(qū)的速度會增加。邊界層的厚度沿流動方向逐漸增加，粘性剪切效應不斷向核心區(qū)擴展，直至邊界層增長到整個截面，速度的分布呈拋物線型，如圖2-5所示.圖2-4湍流區(qū)域劃分圖2-5管道中湍流的發(fā)展2.1.3總流伯努利方程理想流體運動的基本規(guī)律得到了流場中任一空間點上、任一時刻流體微團的壓強和速度等流動參數(shù)之間的關(guān)系式:z1+P1ρg+V12ρg=z2+P2ρg其運用條件為：無黏，定常，只有重力作用，沿一條直線運動.實際流體都具有黏性，在流動過程中要產(chǎn)生摩擦阻力，為了克服流動阻力以維持流動，流體中將有一部分機械能不可逆地損失掉，因此還需考慮黏性對流體運動的影響。由于研究范圍是整個管道的流場，這就必須把所討論的范圍從微元流束擴展到整個管道流場。前面中已經(jīng)得到了理想不可壓縮流體作定常流動時質(zhì)量力僅為重力情況下的微元流束的伯努利方程，該式說明流體微團沿流線運動時總機械能不變。但是對于黏性流體，在流動時為了克服由于黏性的存在所產(chǎn)生的阻力將損失掉部分機械能，因而流體微團在流動過程中，其總機械能沿流動方向不斷地減少。如果黏性流體從截面1流向截面2，則截面2處的總機械能必定小于截面1處的總機械能。圖2-6給出了一般情況下直管中的總流伯努利方程示意圖。則黏性流體微元流束的伯努利方程為：z1+P1ρg+V12ρg=z2+P圖2-6總流伯努利方程示意圖在圖2-4所示的流束中運用式（2-5）可得截面1與截面2之間的關(guān)系式：(V122g+z1+p1ρg)ρgdQ=(V2dQ是該流束的體積流量，對于不可壓縮流量，根據(jù)連續(xù)方程,dQ=V1dS1=V2dS2S1(V22g+z+pρg)ρgVdS在緩變流截面上，z+pρg=C，且有ρ=C，由Q=Q1=（α1V122g+z1+p1ρg）ρgdQ=（α2V222g+z1令1QS2α1V122g+z1+p1ρg=α2V22其中α為截面S的動能修正系數(shù)，對于大雷諾數(shù)的湍流流動，α通常取為1。hLT即為水流流經(jīng)截面1到截面2的水力損失2.1.4管道中的沿程損失水流在管道中流動的水力損失分為局部損失（hj）和沿程損失（hL）由于本文中研究水平直管，所以局部損失不予考慮。沿水流方向，單位重量流體與管壁之間的摩擦，流體之間的摩擦所損失的能量稱為沿程損失。在水平管中充分發(fā)展的層流通過求解N-S方程可得流場壓降為：Δp=flD12ρf是摩擦系數(shù)，也稱為沿程損失的阻力系數(shù)，其表達式為：f=64Re該管道中流體的流動狀態(tài)為湍流對于水平圓管，沿程損失即管道內(nèi)的壓降可以用下式表示：Δp=flD其中f為摩擦系數(shù)，l為管道長度，D為管道直徑，V為流速。湍流時f是Re和相對粗糙度Δf可以有以下幾種方法得到：莫迪圖。莫迪在對大量實驗數(shù)據(jù)進行歸納的基礎上，繪制出了莫迪圖，f可以從莫迪圖中查找。圖2-7莫迪圖首先，根據(jù)管道材料查表得到管道的等效粗糙度?，確定為0.015mm，再根據(jù)流動條件計算出Re，Re=ρνdμ，d=14mm，μ=1.002×103N?sm2，ρ=998.2kgm3，v為流體流速，v=100由于條件限制，在本例中無法對莫迪圖進行精確查找，因而無法得到f的精確值，所以后一種計算方法僅做參考，不予采用。（2）勃拉休斯公式。對于水力學光滑管，可以用以下勃拉休斯公式求解f：f=0.3164Re（3）科爾布魯克公式。1f=-2.0log該公式應用于莫迪圖中整個非層流區(qū)域，是f的隱函數(shù)，具體運算是需要迭代求解。在本文的進水管道中：V1=V2，Z1=Z2，整個管道模型可以簡化為如圖2-8所示，且流動類型為湍流，hhL=p1ρg-p2ρg=Δpρg圖2-8模型簡化圖可見，進水管道中的沿程損失可以用管道兩端的壓降來表示。水流在入口處的流動近似于一個突縮管，此處任然會存在局部損失。入口處的局部損失可以由以下公式得到：hi=ζζ為局部損失系數(shù)。由于存在局部損失，所以入口處的壓力分布也不均勻，入口處存在一段過渡區(qū)。水流經(jīng)過過渡區(qū)以后，逐漸變成充分發(fā)展的湍流，此時問題就轉(zhuǎn)化成為遠觀內(nèi)充分的湍流模型，這就是本文研究的主要問題。湍流的流動參數(shù)，如速度的三個分量，壓強和溫度等都隨時間而發(fā)生隨機不規(guī)則的脈動，所以湍流的切應力有兩部分組成：雷諾應力和層流切應力，即：τ=τlam+其運動方向與流動方向相反。由于充分發(fā)展條件下的流動沒有加速度，此時的壓力應該與切應力平衡，如果流束的直徑和長度分別記作d和l，則有：ΔPπ4d2=τ從高能量角度講，對于實際流體，由于存在粘滯力，流動會受到一定的流動阻力，為了克服這種阻力，就必須消耗掉一部分機械能。這部分機械能就是之前提到的沿程損失，它可以通過管道兩端的壓力差來表示。在本例的管道中，z1=z1，V1=V2，α為動能修正系數(shù)，通常取1hL=p1ρg-p所以，管道內(nèi)的壓力損失就可以通過管道兩端的壓降來表示。在管道流動中，造成壓力損失的因素有兩個：流體自身的粘滯力和流體與管壁的摩擦應力。這使得管道流體壓力沿流動方向隨著管道向前延伸出現(xiàn)了減小的趨勢，這些能量的損失會以熱能的形式耗散掉。而本例研究水力損失與速度及水深的關(guān)系，P1有兩部分組成：水深引起的靜壓ρgh和速度引起的動壓1P1=ρgh+1P2ΔP=ρgh+12ρν2.2計算方法的選擇目前研究流體運動問題的方法主要有三種：CFD法，理論分析法，實驗測量法。圖2-8為“三維”流體計算示意圖。理論分析法所得的結(jié)果具有普遍性和一定的準確性，各種影響因素清晰可見，是指導實驗研究和數(shù)值法的基礎，但它需要對計算對象進行抽象和簡化，對較為簡單的流動問題可以得出理論上的解析解，對于復雜的特別是非線性問題，很難求解。實驗測量法得到的實測結(jié)果一般真實可信，是理論分析和數(shù)值計算的驗證依據(jù)，然而實驗往往受到實驗條件（如模型尺寸，形狀，流場擾動和測量精度等）的影響和限制，很難得到精確結(jié)果，有時還會造成人力物力的巨大損耗。圖2-8‘三維’流體計算示意圖CFD法是一種在流動基本控制方程控制下的流動進行數(shù)值模擬的一種方法，該方法可以獲得復雜流場內(nèi)各個位置上的基本物理量（如速度，壓力，溫度，濃度等），據(jù)此得出其流動特征變量，并通過特定的流動規(guī)律建立起這些變量之間的關(guān)系，組成代數(shù)方程組并求解，從而獲得這些變量的近似值，從本質(zhì)上講，就相當于在計算機上做了一次實驗。湍流是一種高度非線性的復雜流動，研究湍流的主要目的就是要能對其進行預測和控制，就目前的技術(shù)，有可能用理論分析法對簡單流動的統(tǒng)計特性進行近似的計算和預測，而對于較為復雜的流動，理論分析法就達不到精確度的要求了。而實驗法由于實驗條件的差異和其他偶然因素，亦不能完全達到預定的精度。在本例中，靜水管道中的流場分布較為復雜，為了盡可能達到魚雷設計的準確性，因而采用CFD法。2.3CFD方法簡介計算流體力學(ComputationalFluidDynamics，簡稱CFD)是21世紀流體力學領域的重要技術(shù)之一，使用數(shù)值方法在計算機中對流體力學的控制方程進行求解，從而可預測流場的流動。CFD最基本的考慮是如何把連續(xù)流體在計算機上用離散的方式處理。一個方法是把空間區(qū)域離散化成小胞腔，以形成一個立體網(wǎng)格或者格點，然后應用合適的算法來解運動方程。CFD方法適應性強，應用面廣。首先，流動問題的控制方程一般是非線性的，且自變量多，計算域邊界條件復雜，很難得出解析解，而用CFD方法則有可能找出滿足工程需要的數(shù)值解；其次，可以利用計算機進行各種數(shù)值模擬，例如，選擇不同參數(shù)進行物理方程中各項有效性和敏感性試驗，進而進行方案比較，在本文中就利用了CFD的這種特性；再者，它不受物理模型和實驗模型的限制，省時省錢，有較大靈活性，可以很容易真實模擬各種實驗環(huán)境。圖2-9演示出了CFD方法模擬的模擬高速行駛賽車表面壓力場分布。圖2-9CFD模擬高速行駛賽車表面壓力分布CFD方法的基本內(nèi)容和步驟：模型的建立數(shù)學模型的建立是進行模擬的第一步。首先應該確立研究對象的物理模型。對所研究的問題作一定模型化假設。建立模型時一般應考慮以下幾方面因素：從物理模型的性質(zhì)上看，是無粘流動還是粘性流動，是可壓流動還是不可壓流動；從物理模型的運動狀態(tài)上看，是定常的還是非定常流動，有旋還是無旋流動，層流還是湍流，亞聲速還是超聲速流動等。例如，當物理過程中流體的物性變化不大時，可作常物性的假定：物理量的場在某一方向上變化相對于其他兩個方向很小時可以作二維假定等，然后根據(jù)該物理模型確定數(shù)學模型。數(shù)學模型的選擇非常重要，如果所采用的數(shù)學模型不適合，即使數(shù)值方法再完美，結(jié)果也不會符合物理實際，更談不上工程應用價值。流體流動的定解條件大多數(shù)情況下，流體的任何流動都滿足連續(xù)方程和運動微分方程組，有時還包括能量方程。方程中包含的未知量比方程個數(shù)多，因此還要添加方程才能使之封閉，這些方程視流動情況來定，一般是組份方程，狀態(tài)方程，密度方程，k-ε方程等。有了封閉的方程組，為了得到確定的解，還必須給出相應的定解條件。定解條件分為兩類：起始條件和邊界條件。對于非穩(wěn)態(tài)流動要結(jié)定起始條件。即在起始時刻t=0所給定的流場中每一點的流動參數(shù)。除此之外，任意瞬時運動流體所占空間的邊界上必須滿足邊界條件。工程應用中常見的邊界條件有壁面上的，不同流體交界面上的，無窮遠處的及管流進口處的邊界條件等。湍流的模擬湍流是一種高度復雜的非穩(wěn)態(tài)三維流動。在湍流中流體的各種物理參數(shù)，如速度、壓力、溫度等都隨時間與空間發(fā)生隨機的變化。從物理結(jié)構(gòu)上說，可以把湍流看成是由各種不同尺度的渦旋疊合而成的流動，這些渦旋的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機的。由于流體內(nèi)不同尺度渦旋的隨機運動造成了湍流的一個重要特點——物理量的脈動。一般認為，無論湍流運動多么復雜，非穩(wěn)態(tài)的N-S方程對于湍流的瞬時運動仍然是適用的。關(guān)于湍流運動與換熱的數(shù)值計算，是目前計算流體動力學與計算傳熱學中困難最多，因而研究最活躍的領域之一。湍流模型理論或簡稱湍流模型，就是以雷諾平均運動方程與脈動運動方程為基礎，依造理論與經(jīng)驗的結(jié)合，引進一系列模型假設，而建立起的一組描寫湍流平均量的封閉方程組。湍流運動物理上近乎無窮多尺度漩渦流動和數(shù)學上的強烈非線性，使得理論實驗和數(shù)值模擬都很難解決湍流問題。雖然N-S方程能夠準確地描述湍流運動的細節(jié)，但求解這樣一個復雜的方程會花費大量的精力和時間。實際上往往采用平均N-S方程來描述工程和物理學問題中遇到的湍流運動。當我們對三維非定常隨機不規(guī)則的有旋湍流流動的N-S方程平均后，得到相應的平均方程，此時平均方程中增加了六個未知的雷諾應力項，從而形成了湍流基本方程的不封閉問題。根據(jù)湍流運動規(guī)律以尋找附加條件和關(guān)系式從而使方程封閉就促使了幾年來各種湍流模型的發(fā)展，而且在平均過程中失去了很多流動的細節(jié)信息，為了找回這些失去的流動信息，也必須引入湍流模型。目前雖然許多湍流模型已經(jīng)取得了某些預示能力，但至今還沒有得到一個有效統(tǒng)一的湍流模型。Spalart-allmaras模型適于模擬中等復雜的內(nèi)流和外流以及壓力梯度下的邊界層流動（如翼形、機身、導彈和螺旋槳等）。目前S-A模型被廣泛應用于航空航天領域的CFD計算中。同時該模型相對簡單，計算量少，所以在初步計算研究中選取該湍流模型。（4）劃分網(wǎng)格網(wǎng)格在數(shù)值模擬計算過程中至關(guān)重要。由于工程上遇到的問題大多發(fā)生在復雜區(qū)域內(nèi)，因而不規(guī)則區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的生成是計算流體力學中一個十分重要的研究領。實際上數(shù)值計逄結(jié)果的最終的精確程度及計算過程的效率，網(wǎng)格質(zhì)量的影響是非常大的。只有當網(wǎng)格的生成及求解流場的算法很好的匹配時，才能得到成功而高效的計算結(jié)果。網(wǎng)格可分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格三大類。在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，每一節(jié)點及其所處的幾何位置的幾何信息必須加以存儲，但該節(jié)點與其相鄰節(jié)點關(guān)系則可依據(jù)網(wǎng)格編號規(guī)律自動得出，因而不必存儲這類信息，這是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的一大優(yōu)點。但是，當計算區(qū)域比較復雜時，即使應用專門的網(wǎng)格生成技術(shù)也難以處理所求解的不規(guī)則區(qū)域，這時可以采用組合網(wǎng)格，又稱為塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡。在這種方法中，把整個求解區(qū)域分解成若干個小塊，每一塊中均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，塊與塊之間是可以并接的，即兩塊之間有一條公共的邊，也可以是重疊的。這種生成網(wǎng)格的方法既有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點，同時又不要求一條網(wǎng)格線貫穿在整個計算區(qū)域內(nèi)，給處理不規(guī)則區(qū)域帶來不少方便，目前應用很廣。這種網(wǎng)格的關(guān)鍵是兩塊之間的信息傳遞。混合網(wǎng)格是將結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格混合使用。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相對于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格存在著內(nèi)存要求大，CPU運算時間長，不能使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中有效的加快收斂的措施和粘性流體計算中非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成尚需進一步研究等問題，于是提出了混合網(wǎng)格的方法。矩形網(wǎng)格是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中最簡單的一種，具有計算簡單快捷的特點，但是不易處理復雜邊界。因此，最簡單的混合網(wǎng)格是將非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和矩形網(wǎng)格混合。混合網(wǎng)格克服了單種網(wǎng)格劃分的缺點，在計算過程中被廣泛地采用。圖2-9為CFD方法構(gòu)建的一個復雜軸體的網(wǎng)格示意圖。（5）建立離散方程。對于在求解域內(nèi)所建立的偏微分方程，理論上是有真解（或稱精確解或解析解）的。但由于所處理的問題自身的復雜性，一般很難獲得方程的真解。因此，就需要通過數(shù)值方法把計算域內(nèi)有限數(shù)量位置，從而建立一組關(guān)于這些未知量的代數(shù)方程組，然后通過求解代數(shù)方程組來得到這些節(jié)點值，而計算域內(nèi)其他位置上的值則根據(jù)節(jié)點位置上的值來確定。由于所引入的應變量在節(jié)點之間的分布假設及推導離散化方程的方法不同，就形成了有限差分法、有限元法、有限元體積法等不同類型的離散化方法。圖2-9CFD構(gòu)建復雜軸體模型在同一種離散化方法中，如在有限體積法中，對對流項所采用的離散格式不同，也將導致最終有不同形式的離散方程。對于瞬態(tài)問題，除了在空間域上的離散外，還要涉及在時間域上的離散。離散后，將要涉及使用何種時間積分方案的問題。CFD需要將N-S偏微分方程轉(zhuǎn)化成每一節(jié)點上的一組代數(shù)方程，該方程組中包含有該節(jié)點及附近節(jié)點上所示函數(shù)之值，這就是離散方程組。當我們把注意力集中在網(wǎng)格結(jié)點處的值時，我們就已經(jīng)用離散的值取代了包含在微分方程精確解中的連續(xù)信息。在一定網(wǎng)格的基礎上建立離散方程組的方法有如下幾種：有限差分法、有限元法、有限容積法、邊界元法、譜分析法、數(shù)值積分變換法等等。CFD中實際應用較多的是有限容積法，即將守恒型的控制方程對區(qū)域離散后形成的控制容積積分，對于節(jié)點間物理量的變化特性給出假設，從而把積分進行到底，得出節(jié)點間物理量的代數(shù)方程式。用有限容積法導出的離散方程可以保證有守恒性，對區(qū)域形狀的適應性也比有限差分法好，是目前應用最普遍的一種方法。目前一些商業(yè)化CFD軟件均采用這種方法，如PHOENICS，F(xiàn)LUENT，CFX，STAR-CO等。在控制容積法中，所謂對流項的離散格式就是指控制容積界面上函數(shù)的插值方式，常見格式有：一階迎風（FUD），二階迎風（SUD），中心差分（CD），QUICK格式等。其中QUICK格式（QuadraticUpwindInterpolationofConvectiveKinematics，對流項的二次迎風插值）是最常見的一種，在目前的商業(yè)CFD軟件中都引進了該格式。為減少假擴散而引入的計算誤差，同時又使格式有較好的對流數(shù)值穩(wěn)定性，構(gòu)造帶迎風傾向的高階格式是一種普遍采用的方法。對一階導數(shù)項的離散是進行數(shù)值求解時主要問題之一。上面討論了對流項的處理方法，而對于壓力梯度，在不可壓縮流體的控制方程中是以源項的形式出現(xiàn)的，在求解不可壓縮流體的流場問題時，如果把動量方程和連續(xù)性方程離散得到的代數(shù)方程組聯(lián)立求解，就可以得到各速度分量及相應的壓力值。（6）離散初始條件和邊界條件前面所給定的初始條件和邊界條件是連續(xù)性的，如在靜止壁面上速度為0，現(xiàn)在需要針對所生成的網(wǎng)格，將連續(xù)型的初始條件和邊界條件轉(zhuǎn)化為特定節(jié)點上的值，如靜止壁面上共有90個節(jié)點，則這些節(jié)點上的速度值應均設為O。這樣，連同所建立的離散的控制方程，才能對方程組進行求解。在商用CFD軟件中，往往在前處理階段完成了網(wǎng)格劃分后，直接在邊界上指定初始條件和邊界條件，然后由前處理軟件自動將這些初始條件和邊界條件按離散的方式分配到相應的節(jié)點上去。（7）給定求解控制參數(shù)在離散空間上建立了離散化的代數(shù)方程組，并施加離散化的初始條件和邊界條件后還需要給定流體的物理參數(shù)和湍流模型的經(jīng)驗系數(shù)等。此外，還要給定迭代計算的控制精度、瞬態(tài)問題的時間步長和輸出頻率等。在CFD的理論中，這些參數(shù)并不值得去探討和研究，但在實際計算時，它們對計算的精度和效率有著重要的影響。（8）求解離散方程在進行了上述設置后，生成了具有定解條件的代數(shù)方程組。對于這些方程組，數(shù)學上已有相應的解法，如線性方程組可采用Gauss消去法或Gauss-seidel迭代法求解，而對非線性方程組，可采用Newton-Raphson方法。在商用CFD軟件中，往往提供多種不同的解法，以適應不同類型的問題。這部分內(nèi)容，屬子求解器設置的范疇。（9）判斷解的收散性對于穩(wěn)態(tài)問題的解，或是瞬態(tài)問題在某個特定時間步上的解，往往要通過多次迭代才能得到。有時，因網(wǎng)格形式或網(wǎng)格大小、對流項的離散插值格式等原因，可能導致解的發(fā)散。對于瞬態(tài)問題，若采用顯式格式進行時間域上的積分，當時間步長過大時；也可能造成解的振蕩或發(fā)散。因此，在迭代過程中，要對解的收斂性隨時進行監(jiān)視，井在系統(tǒng)達到指定精度后，結(jié)束迭代過程。這部分內(nèi)容屬于經(jīng)驗性的，需要針對不同情況進行分析。（10）顯示和輸出計算結(jié)果通過上述求解過程得出了各計算節(jié)點上的解后，需要通過適當?shù)氖侄螌⒄麄€計算域上的結(jié)果表示出來?？刹捎镁€值圖、矢量圖、等值線圖、流線圖、云圖等方式對計算結(jié)果進行表示。所謂線值圖，是指在二維或二維空間上，將橫坐標取為空間長度或時間歷程，將縱坐標取為某一物理量，然后用光滑曲線或曲面在坐標系內(nèi)繪制出某一物理量沿空間或時間的變化情況。矢量圖是直接給出二維或三維空間里矢量（如速度）的方向及大小，一般用不同顏色和長度的箭頭表示速度矢量。矢量圖可以比較容易地讓用戶發(fā)現(xiàn)其中存在的漩渦區(qū)。等值線圖是用不同顏色的線條表示相等物理量（如溫度）的一條線。下圖就給出了一個FLUENT演示的速度等值線圖。流線圖是用不同顏色線條表示質(zhì)點運動軌跡。云圖是使用渲染的方式，將流場某個截面上的物理量（如壓力或溫度）用連續(xù)變化的顏色塊表示其分布。

第三章模型建立與求解3.1FLUENT軟件基本簡介FLUENT的軟件設計基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復雜流動的物理現(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題,FLUENT開發(fā)了適用于各個領域的流動模擬軟件，這些軟件能夠模擬流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學反應和其它復雜的物理現(xiàn)象。FLUENT用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復雜流動。下圖即為FLUENT模擬一個復雜的流場流動。圖3-1FLUENT模擬復雜流場流動由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，F(xiàn)LUENT能達到最佳的收斂速度和求解精度。FLUENT軟件能推出多種優(yōu)化的物理模型，如定常和非定常流動、層流(包括各種非牛頓流模型)、湍流(包括最先進的湍流模型)、不可壓縮和可壓縮流動、傳熱、化學反應等。對每一種物理現(xiàn)象的流動特點。有適合的數(shù)值解法，用戶可對顯式或隱式差分格式進行選擇，以期在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳。14

這使得FLUENT在湍流、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應用FLUENT的作用主要體現(xiàn)在縮短設計過程，減少實驗室測定試驗的數(shù)目。減少產(chǎn)品開發(fā)成本，即為CFD作用所在。由于采用了統(tǒng)一的前、后置處理工具，在各種軟件之間可以方便地進行數(shù)據(jù)交換。采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)及共同的圖形界面，而各軟件之間的區(qū)別僅在于應用的工業(yè)背景不同，節(jié)省了科研工作者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動。所包括的軟件模塊:GAMBIT——專用的CFD前置處理器，F(xiàn)LUENT系列產(chǎn)品皆采用FLUENT公司自行研發(fā)的GAMBIT前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格，是一具有超強組合建構(gòu)模型能力之前處理器，然后由Fluent進行求解。GAMBIT可以構(gòu)造各種的復雜網(wǎng)格，圖3-2就給出了一個GAMBIT生成復雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的例子。圖3-2應用GAMBIT生成復雜網(wǎng)格FLUENT的后處理可以生成有實際意義的圖片、動畫、報告，這使得CFD的結(jié)果非常容易地被轉(zhuǎn)換成工程師和其他人員可以理解的圖形，表面渲染、跡線追蹤僅是該工具的幾個特征卻使FLUENT的后處理功能獨樹一幟。FLUENT的數(shù)據(jù)結(jié)果還可以導入到第三方的圖形處理軟件或者CAE軟件進行進一步的分析。FLUENT6.3——基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器，針對非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格模型設計，是用有限元法求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場問題的CFD軟件?？蓱玫姆秶型牧?、熱傳、化學反應、混合、旋轉(zhuǎn)流（rotatingflow）及震波（shocks）等。在渦輪機及推進系統(tǒng)分析都有相當優(yōu)秀的結(jié)果，并且對模型的快速建立及shocks處的格點調(diào)適都有相當好的效果。圖3-3FLUENT程序基本結(jié)構(gòu)FLUENT軟件具有如下優(yōu)點：功能強,適用面廣。包括各種優(yōu)化物理模型,如:計算流體流動和熱傳導模型(包括自然對流、定常和非定常流動,層流,湍流,湍流,不可壓縮和可壓縮流動,周期流,旋轉(zhuǎn)流及時間相關(guān)流等);輻射模型,相變模型,離散相變模型,多相流模型及化學組分輸運和反應流模型等。對每一種物理問題的流動特點,有適合它的數(shù)值解法,用戶可對顯式或隱式差分格式進行選擇,以期在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳。(2)高效,省時。Fluent將不同領域的計算軟件組合起來,成為CFD計算機軟件群,軟件之間可以方便地進行數(shù)值交換,并采用統(tǒng)一的前、后處理工具,這就省卻了科研工作者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動,而可以將主要精力和智慧用于物理問題本身的探索上。(3)建立了污染物生成模型。包括NOX和ROX(煙塵)生成模型。其中NOX模型能夠模擬熱力型、快速型、燃料型及由于燃燒系統(tǒng)里回燃導致的NOX的消耗。而ROX的生成是通過使用兩個經(jīng)驗模型進行近似模擬,且只使用于湍流FLUENT同傳統(tǒng)的CFD計算方法相比，具有以下的優(yōu)點：（1）穩(wěn)定性好，F(xiàn)LUENT經(jīng)過大量算例考核，同實驗符合較好。（2）適用范圍廣，F(xiàn)LUENT含有多種傳熱燃燒模型及多相流模型，可應用于從可壓到不可壓、從低速到高超音速、從單相流到多相流、化學反應、燃燒、氣固混合等幾乎所有與流體相關(guān)的領域。（3）精度提高，可達二階精度。3.2建模求解過程3.2.1管道物理模型進水道計算物理模型如圖3-4所示。進水道入口位于航行器頭部，由于本文重點研究進水道特性，考慮到入口下游對入口流動沒有影響，物理模型只包括航行器頭部殼體。為了突出研究重點和易于建立模型，對航行體頭部做合理簡化。圖3-4進水管道三維造型航行體頭部安裝空化器，進水道是直徑為的圓柱狀管道。當航行器航行時，水流由進水道入口流入，經(jīng)進水道進入發(fā)動機燃燒室。由于整個進水系統(tǒng)是一個回轉(zhuǎn)體，可以取進水系統(tǒng)的沿軸線剖面圖作為研究對象，所以該系統(tǒng)可以簡化為下圖所示結(jié)構(gòu)：圖3-5進水管道二維簡化圖進水管道左側(cè)部分連接外部水源，右側(cè)部分連接發(fā)動機燃燒室。管道尺寸：長度2000mm，直徑14mm。本課題研究內(nèi)容即為外界水流流經(jīng)細長進水管道時的水力特性。圖3-6給出了管道如口出的局部網(wǎng)格視圖。3-6管道如口出的局部網(wǎng)格視圖。由于該管道幾何形狀較為簡單，且流動狀態(tài)對稱分布，所以可以將模型進一步簡化，取其對稱軸的一側(cè)進行建模，具體建模步驟如下：選擇求解器，創(chuàng)建控制點。在FULENT6.3中，GAMBIT默認求解器為FLUENT5/6，通過選擇Operation→Geometry→Vertex按鈕根據(jù)管道的實際尺寸在創(chuàng)建點表單中依次創(chuàng)建各個點。創(chuàng)建邊和面。通過選擇Operation→Geometry→Edge將上一步創(chuàng)建的四個點連接成各通過選擇Operation→Geometry→Face連接各條邊，將其組成一個面條邊界，也可以通過輸入具體長度尺寸來建立面，但由于本例不是簡單規(guī)則的幾何形狀，所以采用前一種方法創(chuàng)建面。劃分網(wǎng)格。通過Operation→Mesh→Face直接對之前創(chuàng)建的面進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分越細，計算精度越高。連續(xù)性區(qū)域的離散化使得流動的特征解（剪切層，分離區(qū)域，激波，邊界層和混合區(qū)域）與網(wǎng)格上節(jié)點的密度和分布直接相關(guān)。在很多情況下，關(guān)鍵區(qū)域的弱解成了流動的主要特征。邊界層解（即網(wǎng)格近壁面間距）在計算壁面剪切應力和熱傳導系數(shù)的精度時有重要意義。這一結(jié)論在層流流動中尤其準確，網(wǎng)格接近壁面需要滿足：yp其中=從臨近單元中心到壁面的距離；=自由流速度；=流體的動力學粘性系數(shù)；為邊界層起始點開始沿壁面的距離。網(wǎng)格的分辨率對于湍流也十分重要。由于平均流動和湍流的強烈作用，湍流的數(shù)值計算結(jié)果往往比層流更容易受到網(wǎng)格的影響。在近壁面區(qū)域，不同的近壁面模型需要不同的網(wǎng)格分辨率。大梯度區(qū)域如剪切層或者混合區(qū)域，網(wǎng)格必須精細化以保證相鄰單元的變量變化足夠小。所以在近壁面和速度突變處的網(wǎng)格應該比其他區(qū)域的網(wǎng)格要細密。（4）設置邊界條件，輸出網(wǎng)格。邊界條件包括流動變量和熱變量在邊界處的值。它是FLUENT分析很關(guān)鍵的一部分。設定邊界條件并輸出網(wǎng)格。壓力出口邊界條件用于定義流動出口的靜壓（在回流中還包括其它的標量）。當出現(xiàn)回流時，使用壓力出口邊界條件來代替質(zhì)量出口條件常常有更好的收斂速度。由于本例中主要研究計算管道入口和出口的壓力關(guān)系，所以邊界條件通過Operation→Zone按鈕分別設定為Pressure-inlet和Pressure-outlet。壓力入口邊界條件用于定義流動入口的壓力以及其它標量屬性。它即可以適用于可壓流，也可以用于不可壓流。壓力入口邊界條件可用于壓力已知但是流動速度或速率未知的情況。壓力入口邊界條件也可用來定義外部或無約束流的自由邊界。最后通過File→Export→Mesh輸出網(wǎng)格。3.2.2利用FLUENT求解器求解（1）求解器的選擇。FLUENT求解器一共有2d，2ddp，3d，3ddp四種類型，分別表示二維單精度，二維雙精度，三位單精度，三位雙精度。在大多數(shù)情況下，單精度已經(jīng)足夠高效準確，但在幾何結(jié)構(gòu)或計算域包含的長度范圍很大和求解高縱橫比的網(wǎng)格問題情況下單精度計算會導致邊界信息無法有效傳遞，進而使收斂性和精度下降。本例中建立的模型為二維模型，且為細長管，所以選用二維雙精度求解器。（2）導入模型并進行網(wǎng)格檢查。通過File→Read→Case將創(chuàng)建好的mesh文件導入FLUENT，再通過Gird→Check對網(wǎng)格進行檢查，F(xiàn)LUENT中的網(wǎng)格檢查提供了區(qū)域擴展、體積統(tǒng)計、網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)和周期性邊界的信息。區(qū)域范圍列出了X、Y和Z坐標的最大值最小值，單位是米。體積統(tǒng)計包括單元體積的最大值、最小值以及總體積，單位是立方米。最后讀出最小網(wǎng)格體積minimumvolume:1.911548e-0030，該網(wǎng)格可以進行計算，如果該值出現(xiàn)負值，就必須對網(wǎng)格進行重新劃分。設置計算區(qū)域尺寸，顯示網(wǎng)格。網(wǎng)格讀入到FLUENT中之后有幾種方法報告它的信息，可以報告當前問題的內(nèi)存使用信息，網(wǎng)格的尺寸，網(wǎng)格分割的統(tǒng)計也可以報告一個區(qū)域接一個區(qū)域的單元和表面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。圖3-7網(wǎng)格局部視圖由于GIMBIT作圖時所用長度單位為mm，而FULENT默認的長度單位為m，所以必須通過ScaleGird對話框?qū)Τ叽鐔挝贿M行修改。依次點擊Display→Gird,選擇Surfaces列表中的所有部分，所顯示的網(wǎng)格入口形狀如圖3-7所示。選擇計算模型，設置操作環(huán)境。依次點擊Define→Models→Solver選擇求解器類型。FLUENT一共有三種求解方法：壓力基隱式求解，密度基隱式求解，密度基顯式求解。壓力基隱式求解按照求解動量方程，壓力修正方程，能量方程和組分方程的順序進行求解，在計算湍流方程是收斂速度很快，湍流流動受壁面的影響很大，很明顯，平均流動區(qū)域?qū)⒂捎诒诿娌还饣艿接绊憽．斎?，湍流還受到壁面其他的一些影響。在離壁面很近的地方，粘性力將抑制流體切線方向速度的變化，而且流體運動受壁面阻礙從而抑制了正常的波動。近壁面的外部區(qū)域，湍流動能受平均流速的影響而增大，湍流運動加劇。無數(shù)試驗表明，近壁面區(qū)域可以分成三層區(qū)域，在最里層，又叫粘性力層，流動區(qū)域很薄，在這個區(qū)域里，粘性力在動量，熱量及質(zhì)量交換中都起主導作用，處于這兩層中間的區(qū)域，粘性力作用于湍流作用相似。對于大多數(shù)高雷諾數(shù)的流動，壁面方程法能充分節(jié)省計算資源，因為在近壁面粘性力影響區(qū)域，由于變量的變化太快，不需要解決，這種方法經(jīng)濟，實用而且很精確。所以在本例中在Solver中選擇PressureBased,在Formulation中選擇Implicit。由于本例中的流動為湍流，所以還需要設置湍流模型。k-ε模型具有較高的穩(wěn)定性，經(jīng)濟性和計算精度，且適用于高雷諾數(shù)的湍流，本例中Re=6972.06，湍流模型選用k-ε模型。在近壁處理Near-WallTreatment中選用增強壁面處理EnhancedWallTreatment。FLUENT通過從絕對壓力中減去操作壓力（一般說來大的壓力粗略的等于流動中絕對壓力的平均值）來避免截斷誤差產(chǎn)生的問題，并使用得到的壓力來計算，這個壓力稱作標準下面是操作壓力，標準壓力和絕對壓力之間的關(guān)系式，絕對壓力是操作壓力和標準壓力之和:pabs=pop通過Define→Operating操作環(huán)境對話框設置操作環(huán)境為標準大氣壓101325定義流體物理性質(zhì)。即所使用的模型需要定義的物理性質(zhì)。在FLUENT中，流體和固體的物理性質(zhì)是與名字"materials"相關(guān)的，這些物理性質(zhì)分配給區(qū)域作為邊界條件。點擊Define→Meterials定義流動環(huán)境及流體物理參數(shù)。本例中所用模型的定義區(qū)域為水。點擊Data-base之后選擇流體物質(zhì)water-liquid,設置水的密度為998kgm3，Viscosity中設置為設置邊界條件。邊界條件包括流動變量和熱變量在邊界處的值。它是FLUENT分析的很關(guān)鍵的一部分。壓力出口邊界條件用于定義流動出口的靜壓（在回流中還包括其它的標量）。當出現(xiàn)回流時，使用壓力出口邊界條件來代替質(zhì)量出口條件常常有更好的收斂速度。在入口、出口或遠場邊界流入流域的流動，F(xiàn)LUENT需要指定輸運標量的值流動進入壓力入口邊界時，F(xiàn)LUENT使用邊界條件壓力，該壓力是作為入口平面的總壓P0在不可壓流動中，入口總壓，靜壓和速度之間有如下關(guān)系：。通過出口分配的速度大小和流動方向可以計算出速度的各個分量。入口質(zhì)量流速以及動量、能量和組分的流量可以作為計算程序在速度入口邊界的大綱用來計算流動。對于不可壓流，入口平面的速度既可以是常數(shù)也可以是溫度或者質(zhì)量分數(shù)的函數(shù)。其中質(zhì)量分數(shù)是入口條件的值。在通過壓力出口流出的流動，用指定的總壓作為靜壓來使用。選擇Define→BoundaryConditions對計算區(qū)域的邊界條件具體數(shù)值進行設置，在Pressure-inlet中輸入入口總壓P1，在external-outlet中的Pressure-outlet中輸入海水靜壓P2，將pipe-outlet中的為了研究壓力損失與速度及深度的關(guān)系，在設置邊界條件時，選擇了多種工況下不同深度與速度的組合。具體選擇了在深度五米時速度從100ms遞增到135ms時的一組工況和速度為100ms時深度由3m遞增到10m時的一組工況，具體工況組合由（7）設置求解方法并初始化。FLUENT提供兩種數(shù)值求解方法：分離解法("FLUENT/UNS")和耦合解法("RAMPANT")。FLUENT的兩種解法都可以解守恒型積分方程，其中包括動量、能量、質(zhì)量以及其他標量如湍流和化學組分的守恒。在兩種情況下都應用了控制體技術(shù)，它包括：使用計算網(wǎng)格對流體區(qū)域進行劃分（對控制方程在控制區(qū)域內(nèi)進行積分以建立代數(shù)方程，這些代數(shù)方程中包括各種相關(guān)的離散變量如：速度、壓力、溫度以及其他的守恒標量）；離散方程的線化以及獲取線性方程結(jié)果以更新相關(guān)變量的值。兩種數(shù)值方法采用相似的離散過程——有限體積。在本例中選用前者。表3-1工況組合分離解方法同時考慮所有單元來解出單個變量的場，然后再同時考慮所有單元來解出下一個變量的場，直至全部解出控制方程是分離解出的（即一個一個的解）。在網(wǎng)格中每一個單元都可以寫出相似的方程。因為控制方程是非線性的（還是耦合的），所以在得到收斂解之前，必須進行迭代。點擊Solver→Controls→Solutions選擇控制方程。在開始計算之前或者對選定單元中選定的初始值進行修補之前，首先對全流場進行初始化。必須保證所提供的初始解能夠包含求解器最后獲得所需要的解。由于初始化對整個計算結(jié)果影響較大，所以給出的初始解要盡量接近真實解。（8）打開殘差監(jiān)控圖，對殘差標準進行設置。在每一步迭代之后，求解器就會將每一個守恒變量的殘差計算出來并保存，這樣就相當于記錄了收斂的歷史。求解器會將這些歷史記錄保存在數(shù)據(jù)文件中。如果假定計算機是具有無限精度的，那么解收斂也就意味著殘差是零。實際的計算機都是具有有限精度的，所以當殘差減小到某些較小值（截斷）就不再變化了，這就代表計算已經(jīng)基本達到收斂。在默認的情況下，F(xiàn)LUENT會在每一次迭代之后更新收斂監(jiān)視器。殘差是判斷結(jié)果收斂的重要標準，它的值越小表示計算精度越高。具體殘差設置數(shù)值如圖3-8所示。圖3-8殘差設置（9）計算并保存Case文件。在計算過程中，迭代計算次數(shù)越多，計算精度就越高，所以為了保證計算結(jié)果的精確性，將迭代次數(shù)設置為5000次。同時，還要對殘差曲線進行監(jiān)控，如果殘差曲線收斂，則代表迭代計算精度已經(jīng)達到較高的水平。計算過程中殘差曲線如圖3-9所示。圖3-9殘差曲線變化經(jīng)過5000次迭代后，殘差曲線已經(jīng)收斂，這表明計算已經(jīng)達到了很高的精度，滿足所需要求。如下圖所示：圖3-10達到收斂的殘差曲線(10)保存計算結(jié)果。將計算結(jié)果保存為Data和Case文件，這些文件就可以用于后續(xù)的計算分析。

第四章計算結(jié)果分析4.1進水道流場狀態(tài)分析4.1顯示計算結(jié)果4.1.1讀出不同工況下的壓力差將之前保存的文件導入FLUENT，從Report的Surface-Integrals中分別讀出external-inlet和pipe-outlet的值，然后用external-inlet減去pipe-outlet，其差即為管道中水流的壓力損失ΔP。將工況組合求解出的ΔP：表4-1（1）深度-壓力差表4-1（2）速度-壓力差4.1.2顯示壓力等值線圖等值線圖是在物理區(qū)域上由同一條變量的多條等值線組成的圖形，用不同顏色的線條表示響應的物理量。圖3-8給出了本例網(wǎng)格的壓力分布。圖4-1壓力等值線圖4.1.3繪制速度矢量圖。速度矢量圖顯示了管道中各點速度的大小和方向，描述了流體在管道中的速度分布，為研究流場中的速度特性提供了依據(jù)，下圖為FLUENT畫出的速度矢量圖。圖4-2速度矢量圖4.1.4管道速度分布FLUENT還可以模擬流場中的速度分布，從而可以更直觀的得到流體在管道中的流動模型，圖4-3即為FLUENT繪制出的管道流動的速度分布圖。圖4-3管道速度流動分布4.2計算結(jié)果統(tǒng)計整理在固定深度變化速度和固定速度變化深度的工況計算中，通過建立湍流管道流動模型，由FLUENT計算出了不同工況下管道入口與出口的壓力差ΔP。為了更直觀的研究壓力差ΔP與速度及深度的變化情況，下面將三者的變化規(guī)律通過二維圖像展示出來：圖4-4深度-壓力差圖4-5速度-壓力差4.3計算結(jié)果分析4.3.1壓力分析（1）管道入口處的壓力分布首先取管道入口處進行分析。由于進水管道口安裝了空化器，形成了一個突起的滯止面，相當于此時的水流流經(jīng)一個突縮管的接口處，此處的局部損失較為明顯。流線要發(fā)生彎曲。由于流體存在慣性，不可能隨著管道的形狀而發(fā)生突變，所以在空化器迎水流方向形成了一個高壓區(qū)，沿水流方向形成了一個低壓區(qū)。在流線彎曲，流體速度變化的過程中，流體質(zhì)點會發(fā)生碰撞，壓力分不會發(fā)生變化，會造成能量的損失。在空化器沿水流方向還有一個凹槽，這相當于流體流經(jīng)了一個漸擴管。水流會在凹槽處形成漩渦，漩渦主要靠主流束帶動旋轉(zhuǎn)，主流束把能量傳遞給漩渦，由于漩渦內(nèi)存在粘性摩擦力，會將能量通過熱量形式耗散掉，而且與管壁的摩擦作用較明顯，所以此處的水力損失最大，凹槽處較其他區(qū)域的水壓最低。水流通過凹槽以后，處在一個類似于漸擴管的流場中，此管道的突變角θ較小，局部損失不明顯，水壓損失較少，所以在進入這段管道以后，各處的水壓變化幅度不大，逐漸趨于均勻。圖4-6演示了流體流經(jīng)管道入口處的壓力分布情況。圖4-6管道入口處的壓力分布（2）管道內(nèi)壓力分布。圖4-7和圖4-8分別給出了水流沿管道壓力分布的局部視圖和入口出口處動壓分布散點圖：圖4-7水流沿管道壓力分布的局部視圖圖4-7說明了管內(nèi)流動總壓沿管道會隨著流動前進呈現(xiàn)出先小的趨勢，這是因為管道中的沿程損失存在。圖4-8中出口處動壓隨管道徑向呈拋物線分布，這是因為動壓與流動速度有關(guān)，而管道中的流動速度分布沿管道直徑呈拋物線分布而在入口處，由于還處于湍流發(fā)展階段，速度分布規(guī)律不明顯，在局部區(qū)域速度還會出現(xiàn)擾動，在靠近避免的區(qū)域速度會由先前的初始速度突變?yōu)檫吔鐚铀俣?，因此壓力分布散點圖會出現(xiàn)不規(guī)律變化。圖4-8入口出口壓力分布散點圖4.3.2管道壓力差的校核選定速度為100ms在水平管中充分發(fā)展的層流通過求解N-S方程可得流場壓降為：Δp=flD12ρ通過求解f即可以得到管內(nèi)沿程損失，即壓降。Re=d=14mm，μ=1.002×103N?sm2，ρ=998.2kgm3，v為流體流速，v=100由勃拉休斯公式：f=0.3164帶入Re得到f=0.0290將f，v等條件帶入式（4-1）得Δp在表4-1（1）中，通過FLUENT建立的湍流模型中，經(jīng)過湍流方程迭代計算的壓力差ΔP=463707Pa，計算結(jié)果與理論分析有較大差