FLUENT圆柱绕流传热特征数值研究(3)

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概括本文主要研究内容如下：

（一）根据FLUENT数值模拟的基本理论和基本方程，确定合理的模型和求解方法。

（二）运用FLUENT的GAMBIT软件建立圆柱体绕流流场的基本模型，并划分流场网格。

（三）运用FLUENT的中的流体计算模块，结合湍流计算模型计算不同Re数下的圆柱绕流场流场分布。

（四）运用FLUENT的中的传热模块，结合湍流计算模型不同Ra下的圆柱体绕流传热对流情况。

（五）运用FLUENT软件计算不同Re和Ra下的Nu曲线。

2 计算流体力学理论

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称 CFD）是计算流体动力学的简称[17-20]，是利用电子计算机和离散化的数值方法对对不同固体边界的内外流场进行数值模拟和分析的一个分支。由于流动的复杂性，流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，这些过程都受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配[21]，而理论分析无法求得详细的解析解。因此，计算流体力学逐渐发展起来[22]，并相应地形成了各种数值解法。

2.1圆柱绕流流场数值模拟理论

FLUENT对流场的求解过程主要是对三大方程的离散积分求解过程，通过求解能量方程、质量方程、动量方程来求解最终流场的分布情况[23]。FLUENT流体力学三大方程如公式（1），（2），（3）所示。

其中质量方程如公式（1）所示：

+ =0 j=1,2,3 （1）

式中，x是轴向坐标u轴向来流速度。

动量方程如公式（2）所示：

（2）

式中，p是静压；是应力张量，定义为：，，

能量方程如公式[24]（3）所示：

（3）

式中，表示湍流的热传导系数。是组分的扩散通量。导热项、组分扩散项、粘性项分别用右式表示。表示化学反应和其它源项，其中，

（4）

对于理想流体，焓定义为：；对于不可压缩气体，焓定义为：。是组分的质量分数，组分的焓定义为：，。

表示其它体积力或者重力力。

2.2湍流流动概述

湍流模型是本文圆柱绕流场数值模拟计算中FLUEN运用的主要模型，FLUENT湍流模型主要有三种[25]，[包括单方程（Spalart-Allmaras）模型，标准模型，雷诺应力模型（RSM），本文选用的是模型。

标准模型：

一般来说对于完全湍流流动的模式需要应用标准模型。标准模型的具体格式如公式(15)所示。

（15）

（16）

其中，速度梯度的湍动能可以用表示浮力影响引起的湍动能产生可以用，表示；可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。湍流粘性系数可以表示成。

在FLUENT中，＝1.44， =1.92，，湍动＝1.0，＝1.3。都是默认值，这些值可以通过修改粘性项来进行修改。

2.3 Fluent 软件介绍

FLUENT是CFD分析中最常用的软件之一，它的市场占有率在美国达到了60%。而在中国，从网上调查的数据显示，FLUENT的市场占有率也非常高，是CFD分析中最广泛使用的软件。

（1）网格划分技术

在CFD工程计算中[30]，划分网格是计算预处理的主要步骤，占掉整个CFD计算时间的80%左右，因此网格的划分必须引起相当高的重视。FLUNET采用多种网格划分的形式，有结构化网格，非结构化网格，以及结构和非结构混合式网格，这大大提高了网格划分的效率。并且FLUENT中有自适应网格，满足了流场大梯度变化计算的要求，使网格的应用变得更加灵活。FLUENT网格划分工作一般可以用FLUENT提供的专用软件Gambit来完成[31]，将Gambit生成的网格直接导入到FLUENT中进行计算便可以完成CFD的计算工作。